試驗與研究

裂紋對主蒸汽管道彎頭強度的影響*

魏明業,王明庭

(河北省特種設備監督檢驗研究院唐山分院,河北 唐山 063000)

摘 要:為了找出裂紋對主蒸汽管道彎頭強度的影響規律,以90°推制彎頭為分析對象,模擬主蒸汽管道的實際工況,首先分析了不同長度和深度的單個裂紋對彎頭強度的影響,在此基礎上,分析了不同間距的兩個裂紋對彎頭強度的影響,以及裂紋間距對雙裂紋應力的疊加效應及影響范圍。分析結果表明,當單裂紋深度一定時,裂紋長度越大裂紋承受的最大應力也越大,且應力分布趨于均勻;當單裂紋長度一定時,隨著裂紋深度的增大裂紋承受的最大應力越小;對含有兩個裂紋的彎頭,裂紋間距越大裂紋間應力的疊加效應就越小,缺陷間距不同使得缺陷附近的應力梯度不同,缺陷間距越小應力梯度越大。

關鍵詞:蒸汽管道;彎頭;裂紋;強度;應力

0 前 言

裂紋是主蒸汽管道上比較常見的缺陷,由于其造成了管道的局部不連續,所以裂紋位置往往會產生比較大的應力集中[1]。裂紋本身具有擴展的特性,所以其對主蒸汽管道安全運行的影響具有一定的不確定性。裂紋是否擴展與主蒸汽管道承受的載荷、溫度、介質特性都有關系。某些形狀和尺寸的裂紋在一定的條件下是安全的,但隨著時間的變化其安全性會發改變[2-5]。對于主蒸汽管道及其附屬部件除了承受高溫、高壓、振動等載荷的作用,可能存在的裂紋缺陷會嚴重影響其安全運行,所以有必要對含有裂紋的主蒸汽管道進行分析,確定不同尺寸裂紋對主蒸汽管道強度的影響,為含裂紋主蒸汽管道的合理使用評價和對管道進行改進提供依據。本研究以彎頭為分析對象,對含有裂紋的彎頭進行分析,確定裂紋對主蒸汽管道的影響[6-10]

1 主蒸汽管道彎頭的結構尺寸及其承受載荷

1.1 主蒸汽管道彎頭的結構及其尺寸

以90°推制彎頭為分析對象,彎頭采用鍛制鋼管熱擠壓成型工藝制造,材料為P92。由于彎頭結構簡單,因此在分析過程中對其模型不做簡化處理。彎頭結構及其尺寸如圖1 所示。

圖1 彎頭結構及其尺寸示意圖

1.2 主蒸汽管道彎頭承受的載荷

為了使分析結果能反應彎頭實際運行狀況下的應力應變狀態,取電站鍋爐實際運行過程中主蒸汽管道上的壓力和溫度。彎頭承受的內壓為27.6 MPa,工作溫度為 610 ℃,另外再加載一個動態沖擊載荷,該載荷取值為1.5 倍的內壓。

彎頭除了承受上述載荷外,還要承受管道內流體的沖擊力,這是由于管道內介質的流動方向在彎頭位置發生變化,流體對彎頭會產生一定的沖擊力。通過分析可知,流動速度為40 m/s 的流體產生的沖擊力使彎頭承受的載荷僅增加了0.15 MPa,這對彎頭強度的影響很小[11-13],因此可以忽略不計。

2 裂紋形狀的規則化處理

本研究所提到的表面裂紋不僅包括露出表面的軸向裂紋,也包括未露出表面的近表面軸向裂紋。表面裂紋的規則化處理過程如圖2 所示。圖2 中,裂紋長度與深度的比值l/h≥0.5,裂紋深度與壁厚的比值 h/B<0.7。將圖2(a)所示的裂紋規則化處理成圖2(b)所示的長方形裂紋。裂紋的寬度按照其最大處取值,端部按照最小處取值。

圖2 表面裂紋的規則化處理過程示意圖

圖3 近表面裂紋的規則化處理過程示意圖

近表面裂紋的規則化處理過程如圖3 所示。圖3 中,裂紋長度與深度的比值l/h≥0.5,裂紋深度與壁厚的比值h/B<0.7。裂紋埋藏深度e≤0.4h,且 e<c,同時裂紋到表面的最近距離 c≥0.4h。將圖 3(a)所示的裂紋規則化處理成圖 3(b)所示的長方形裂紋,長方形裂紋的深度為裂紋深度與裂紋到表面的最近距離之和(h+e),該裂紋可規則化處理為表面裂紋。這種對裂紋規則化處理的方法只適用于近表面裂紋。對于深埋裂紋若還采用該方法處理,就會產生較大的誤差[14-16]

3 裂紋在彎頭上的分布

3.1 單裂紋彎頭

對單裂紋彎頭上裂紋的規程化處理分為以下兩種情況進行分析:①深度分別為4 mm、6 mm、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm,長度為 50 mm的裂紋;②深度為10 mm,長度分別為5 mm、10 mm、25 mm、50 mm、75 mm、100 mm、150 mm、200 mm 的裂紋。

對于單裂紋彎頭,主要分析彎頭45°位置不同尺寸裂紋對彎頭強度的影響。彎頭上單個裂紋位置如圖4 所示。

圖4 單個裂紋位置示意圖

3.2 雙裂紋彎頭

圖5 兩個裂紋位置示意圖

雙裂紋彎頭上裂紋位置如圖5 所示。兩裂紋分別沿軸向排列在彎頭的內側和外側。裂紋間距分別為 2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、22 mm、30 mm,裂紋長度為50 mm,深度為10 mm。

4 裂紋對彎頭強度的影響

4.1 單裂紋對彎頭的影響

不同尺寸的單個裂紋對彎頭強度的影響不同,即裂紋長度與深度不同造成的彎頭相應位置的應力集中情況不同;相同的裂紋在不同載荷條件下對彎頭的影響也不同。裂紋應力取樣點位置如圖6 所示。

彎頭的強度計算結果如圖7 所示。由圖7 可知,彎頭內側的內表面(端面1 所在區域)的應力值最高為87.71 MPa,與其対應的彎頭內表面外側(位置2 所在區域)應力為67.26 MPa。彎頭的位置1 側從端面1 到端面2 彎頭內表面應力先增大后逐漸減小。彎頭外側外表面(位置4 所在區域)及附近應力最小值為21.08 MPa。彎頭內側應力集中程度和應力變化的梯度都大于外側。

單裂紋(位于外表面)彎頭上應力隨裂紋長度的變化規律如圖8 所示。不同長度單裂紋(位于外表面)軸向截面上應力的變化規律如圖9 所示。

圖6 裂紋應力取樣點位置示意圖

圖7 彎頭縱截面上應力分布

圖8 單裂紋(位于外表面)彎頭上應力隨裂紋長度的變化趨勢

圖9 不同長度單裂紋(位于外表面)軸向截面上應力的分布

當裂紋長度與深度之比l/h<1 時,裂紋端部應力即為彎頭上的最大應力,此時裂紋繼續擴展的可能性比較大;當l/h>1 時,裂紋底部最大應力即為彎頭上最大應力;當 1<l/h≤5 時,缺陷底部的最大應力隨著裂紋長度的增加迅速增大,此時裂紋端部的最大應力以非常緩慢的速度增加;當l/h>5 時,裂紋底部最大應力隨著裂紋長度的增加逐漸增大但其增大幅度比較小,此時裂紋邊緣的最大應力增大幅度比較大。裂紋上的最小應力隨著裂紋長度的增大逐漸減小。裂紋長度越大裂紋周圍的最大應力值也越大,由圖7 所示無裂紋彎頭外表面的最大應力為21.08 MPa,存在缺陷彎頭上最大應力為43.43~95.43 MPa,缺陷使彎頭外表面應力增大了2.06~4.52 倍。隨著裂紋缺陷長度增加裂紋上應變化的梯度也逐漸增大。

單裂紋(位于內表面)彎頭上應力隨裂紋長度的變化規律如圖10 所示。當 l/h<1 時,裂紋端部應力即為彎頭上的最大應力,此時裂紋繼續擴展的可能性比較大;當l/h>1 時,裂紋底部最大應力即為彎頭上最大應力;當 1<l/h≤5 時,缺陷底部的最大應力隨著裂紋長度的增加迅速增大;當 l/h>10 時,裂紋底部和裂紋端部最大應力隨著裂紋長度的增加逐漸增大,但其增大幅度比較小,裂紋上的最小應力隨著裂紋深度的增大逐漸減小。

圖10 單裂紋(位于內表面)彎頭上應力隨裂紋長度變化趨勢

圖11 不同長度單裂紋(位于內表面)軸向截面上應力的分布

不同長度單裂紋(位于內表面)軸向截面上應力的變化規律如圖11 所示。裂紋長度越大裂紋周圍的最大應力值也越大,由前面的分析可知,無裂紋彎頭內表面的最大應力為87.71 MPa,存在缺陷彎頭上最大應力為174.8~283.3 MPa,缺陷使彎頭外表面應力增大了1.99~3.23 倍。當l/h≤1 時,從裂紋邊緣到裂紋底部中心位置應力逐漸減小,裂紋底部中心位置應力最小;當l/h>1時,從裂紋端部到裂紋底部應力均為先降低后增加,裂紋底部最大應力大于裂紋端部最大應力。裂紋端部最大應力的增加幅度小于裂紋底部的增加幅度。

單裂紋(位于外表面)彎頭上應力隨裂紋深度的變化規律如圖12 所示。裂紋底部最大應力即為裂紋附近的最大應力,隨著裂紋深度的增大裂紋端部最大應力逐漸增大。裂紋底部最大應力小于裂紋端部最大應力,隨著裂紋深度的增大裂紋底部最大應力與端部最大應力之差逐漸減小。裂紋附近最小應力隨著裂紋深度的增大逐漸減小。

圖12 單裂紋(位于外表面)彎頭上應力隨裂紋深度的變化趨勢

不同深度單裂紋(位于外表面)軸向截面上應力的分布規律如圖13 所示。裂紋深度越大裂紋周圍的最大應力值也越大,由前面的分析可知無裂紋彎頭外表面的最大應力為21.08 MPa,存在缺陷彎頭上最大應力為57.44~151.1 MPa,缺陷使彎頭外表面應力增大了2.72~7.17 倍。當l/h<5/3時,裂紋從端部到底部應力的分布先減小后增大;當l/h>5/3 時,裂紋從端部到底部應力逐漸增大,裂紋底部應力始終大于裂紋端部最大應力。

圖13 不同深度單個裂紋(位于外表面)軸向截面上應力的分布

單裂紋(位于內表面)彎頭上應力隨裂紋深度的變化規律如圖14 所示。當 l/h>2.5 時,裂紋缺陷底部最大應力即為彎頭上的最大應力,此時裂紋端部和底部最大應力均隨著裂紋深度的增大而逐漸增大;當 l/h<2.5 時,缺陷底部最大應力隨著缺陷深度的增大而逐漸減小,此時裂紋端部隨著裂紋深度的增大而逐漸增大且其最大應力值大于底部最大應力值。裂紋上的最小應力隨著裂紋深度的增大逐漸增大。

圖14 單裂紋(位于內表面)彎頭上應力隨裂紋深度的變化趨勢

不同深度單裂紋(位于內表面)軸向截面上應力的變化規律如圖15 所示。裂紋深度越大裂紋周圍的最大應力值也越大,由前面的分析可知無裂紋彎頭內表面的最大應力為87.71 MPa,存在裂紋彎頭上最大應力為186.2~304.8 MPa,缺陷使彎頭外表面應力增大了2.12~3.47 倍。隨著裂紋深度的增大裂紋上應力的分布的不均勻性越大,裂紋繼續擴展的可能性就越大。

圖15 不同深度單裂紋(位于內表面)軸向截面上應力的分布

4.2 雙裂紋對彎頭強度的影響

不同間距的兩個裂紋對彎頭強度的影響是不同的,即裂紋間距不同造成的彎頭相應位置的應力集中情況也不同。雙裂紋間距不同,對管道承受載荷能力的削弱程度也不相同。

雙裂紋(位于內表面)彎頭上應力隨裂紋間距的變化規律如圖16 所示。裂紋相鄰位置最大應力隨著裂紋間距增加逐漸減小,當雙裂紋間距≤8 mm 時,其應力降低幅度比較大,最大應力差為 78.4 MPa;當雙裂紋間距>8 mm 時,最大應力減低幅度較小,最大應力差值為15 MPa;當雙裂紋間距≤14 mm 時,裂紋底部和端部不相鄰位置最大應力均在一定范圍內波動,且裂紋不相鄰位置最大應力大于裂紋底部承受的最大應力;而雙裂紋間距>14 mm 時,裂紋底部最大應力大于裂紋端部不相鄰位置最大應力。裂紋上最小應力隨著裂紋間距增大保持不變,最大應力差為1.15 MPa。

圖16 雙裂紋(位于內表面)彎頭上應力隨裂紋間距的變化趨勢

圖17 不同間距雙裂紋(位于內表面)軸向截面上應力的分布

不同間距雙裂紋(位于內表面)軸向截面上應力變化規律如圖17 所示。雙裂紋間距越大,裂紋周圍最大應力值越小,由之前分析可知,無裂紋彎頭內表面最大應力為87.71 MPa,存在裂紋彎頭上最大應力為268.5~361.9 MPa,缺陷使彎頭外表面應力增大了3.06~4.12 倍。雙裂紋中間位置應力隨著裂紋間距的增大逐漸減小,說明隨著裂紋間距的增大,裂紋之間的相互影響逐漸減小。隨著裂紋間距的增大,裂紋兩端的應力值差值越來越小。

雙裂紋(位于外表面)彎頭上應力隨裂紋間距的變化規律如圖18 所示。當雙裂紋間距<10 mm時,缺陷相鄰處最大應力大于缺陷底部最大應力,且隨著裂紋間距的增大逐漸減小;當裂紋間距在10~14 mm 時,裂紋相鄰位置最大應力與裂紋底部最大應力相同;當裂紋間距>14 mm 時,裂紋底部最大應力大于裂紋相鄰位置最大應力,且隨著裂紋間距的增大逐漸增大。裂紋不相鄰位置最大應力隨著裂紋間距的增大在一定范圍內波動,且最大值始終小于裂紋相鄰位置處的最大應力。裂紋上的最小應力隨著裂紋間距的增大在一定范圍內波動,最大應力差值為0.36 MPa。

圖18 雙裂紋(位于外表面)彎頭上應力隨裂紋間距的變化趨勢

圖19 不同間距雙裂紋(位于外表面)軸向截面上應力的分布

不同間距雙裂紋(位于外表面)軸向截面上應力的變化規律如圖19 所示。雙裂紋間距越大裂紋周圍的最大應力值也越小,由前面的分析可知,無裂紋彎頭外表面的最大應力為21.08 MPa,存在裂紋彎頭上最大應力為86.69~122.9 MPa,缺陷使彎頭外表面應力增大了4.11~5.83 倍。當裂紋間距等于30 mm 時,兩缺陷間隔的中間位置應力為21.29 MPa,較無裂紋彎頭外表面應力21.08 MPa 相差 0.21 MPa。由此可知,當裂紋間距>30 mm 時,裂紋間的相互影響已經可以忽略不計。

5 結 論

(1)對于含有單個裂紋的彎頭,當裂紋深度一定時,裂紋長度越大,裂紋承受的最大應力也越大,且應力分布趨于均勻。

(2)對于含有單個裂紋的彎頭,當裂紋長度一定時,隨著裂紋深度的增大,裂紋承受的最大應力越小。

(3)對含有兩個裂紋的彎頭,裂紋間距越大,裂紋間應力的疊加效應就越小,缺陷間距不同使得缺陷附近的應力梯度不同,缺陷間距越小應力梯度越大。

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Effect of Crack on Main Steam Pipe Elbow Strength

WEI Mingye , WANG Mingting
(Hebei Special Equipment Supervision and Inspection Research Institute Tangshan Branch, Tangshan 063000, Hebei, China)

Abstract: In order to find out the influencing rules of the crack on the elbow strength of the main steam pipe, 90° push elbow is taken as the analysis object to simulate the actual working condition of the main steam pipe.The influence of the single crack with the different lengths and depths on the elbow strength is analyzed.On this basis, the influence of the two cracks with different spacing on the elbow strength is analyzed; meanwhile, the superposition effect and the influence range of the crack spacing on the double crack stress are also analyzed.The results show that when the single crack depth is constant, the longer the crack length is, the greater the maximum stress the crack will bear, and the stress distribution tends to be uniform.When the length of the single crack is constant, the larger the crack depth is, the smaller the maximum stress is.For the elbow with two cracks, the larger the crack spacing is, the smaller the superposition effect of stress between the cracks will be.The different defect spacing makes the stress gradient near the defect different, and the smaller the defect spacing is, the larger the stress gradient will be.

Key words: steam pipe; elbow; crack; strength; stress

中圖分類號:TG404

文獻標識碼:B

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.002

*基金項目:河北省質量技術監督局科技計劃項目“基于 ‘互聯網+’ 模式下壓力容器檢驗檢測研究”(項目編號2018ZD28)。

作者簡介:魏明業(1984—),男,河北樂亭人,畢業于燕山大學,工程師,現主要從事特種設備檢驗及相關技術研究。

收稿日期:2019-04-04

編輯:謝淑霞

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