主蒸汽管道弯管的金属监督

主蒸汽管道弯管的金属监督

张超

华电新疆发电有限公司乌鲁木齐分公司 新疆乌鲁木齐市 830065

摘要：薄壳理论模型显示，弯管内弧位置有最大应力，但实际上弯制导致弯管外弧减薄，加之不圆度的存在，进一步加大了弯管外弧部位的应力集中。运行中的弯管受到管道内压与外载弯矩的共同作用，其不圆度既可能减小，也可能增大或不变，“复圆”不能视作弯管蠕变损伤发展的唯一趋势。已有的试验数据证明，弯管的材质老化速度并不比直管快。因此，不能认为弯管具有管道材质老化的典型意义而轻视对直管段的组织检验。

关键词：主蒸汽管道弯管；不圆度；内压；

前言

火力发电厂主蒸汽管道系统中有的弯管寿命较短，因而人们对弯管的寿命预测和监督进行过许多研究。弯管在加工弯制之后往往会产生不圆度(弯管不圆度为弯管外壁长轴长度与弯管外壁短轴长度之差除以管于公称直径所得值的百公比)。在内压作川下，由不圆度产生附加弯曲应力，这部分应力的大小对弯管的理论寿命有很大影响。采用有限元的计算表明：在内臁、热胀、外载弯矩、温差的作用下弯管的周向应力随不圆度的增加而上升。众所周知，弯管在运行中不圆度将改变。阑内外都有文献报导弯管不圆度的研究。有的电厂对主蒸汽管道破裂弯管的事故分析，认为弯管不圆度在管道长期运行后降低，达到自然寿命时不圆度接近零。因此在主蒸汽管道寿命预测工作中许多电厂加强了对弯管不圆度检查。

一、管道内压

内压是管道运行中的工质压力，它使得弯管产生环向、轴向内应力。同时，具有一定不圆度的弯管在运行中椭圆“复圆”，不圆度减小，表现为在弯管椭圆横截面短轴方向上产生正蠕变，长轴方向上产生负蠕变，其原因在于短轴方向上受到由内压产生的附加弯曲力矩。内压作用下的一次应力可用薄壳理论模型计算。

如图1所示，取弯管上凼角度管段微元，其截面投影则是如图2所示的椭圆管环。在截面不圆度不大的情况下，椭圆截面内A点所受应力的各向分量表达式如下：

式(1)中σ 、O 、σ ,分别为内压下管环截面上各点的环向轴向、径向应力,MPa;p为管道内压,MPa;p为管道公称直径,m;δ为管道壁厚,m;R为弯管曲率半径,m。

对式(1)进行简单的数学分析可以得到以下结论:(1)弯管轴向应力O ,与同一管道内直管的轴向应力相同,σ >O ,即环向应力是弯管破坏的最大应力。(2)当0<φ<π时,sinφ>0;当π<φ<2π时, sinφ<0,即以中性面为界,弯管内侧环向拉应力大于弯管外侧环向拉应力。但是,由于D ,《R,两侧应力值的差异并不大。因此,弯管的应力极值位置取决于弯管外弧部位在弯制过程中的减薄程度。(3)当φ =时,sinφ=-1,即理论上表明环向应力σ 在弯管内弧靠近椭圆短轴处有最大值，这与部分事实经验不相符.与(2)相同，其原因在于此处的计算模型没有考虑弯管在弯制过程中外弧部壁厚减薄的情况，因在外弧部壁厚减薄导致较大应力集中的情况下,会使得外弧应力大于内弧应力.但是，当弯管外弧部减薄量不大时，会得到符合理论模型的结果。

二、弯矩载荷

1.弯矩载荷是包括管子自重在内的支撑载荷所产生的弯矩作用。按作用效果可分为有开弯弯矩和闭弯弯矩2种。对于管系中增加柔度的弯管，弯矩载荷是持续存在的。依据弹性固体力学原理，弯管内各点由弯矩产生的应力分量表达为：

式中，开弯时取“－”，闭弯时取“+”，σ 、O 、σ 分别为弯矩作用下各点的环向、轴向、径向应力，MPa；r为应力点与弯曲中心的距离，m；a、b为与管子直径、弯曲半径、壁厚有关的常数k为系数。由式(2)可见：(1)弯矩作用所产生的应力，仍是环向应力最大。(2)纯弯矩作用所产生的环向应力，无论开弯、闭弯，最大值都在r最大处，即弯管外弧位置。当弯矩为开弯作用时，弯矩产生的环向应力值为负，部分抵消了管子内压产生的环向应力；当弯矩为闭弯作用时，则会加大弯管环向应力。这表明同等大小的弯矩作用时，闭弯状态下弯管破坏危险程度更高。(3)弯矩还将导致弯管不圆度的改变。在闭弯弯矩M作用下，弯管弯曲角度将由口变为口一∆α。此时，弯管椭圆截面在短轴方向被压缩，不圆度势必增大．当外载荷为开弯弯矩时反之。再由于内压导致的椭圆“复圆”作用的存在，弯管的椭圆度变化将存在加大、不变、减小3种趋势。

2.钢管金属的韧性一脆性转变温度

主蒸汽管运行中，钢管内部微观结构存在一个动态变化的过程，反映在金属韧性一脆性转变温度(FATT)上的逐渐升高。弯管的韧性一脆性转变温度稍低于直管。这一结果能否推论弯管运行中老龄化趋势更缓慢，还需要提供更多的试验结果加以佐证。

3.钢管金属的内部合金元素分布状态和点阵参数

运行约2．3x10 h的12CrlMoV主蒸汽管金属内部合金元素分布状态和点阵参数的测定结果表示，它与新钢管比较，可看出变化十分明显。而直管和弯管间的数值还很接近，只是弯管的变化幅度比直管小。根据试验结果可得出，由于影响主蒸汽管金属发生变化(老龄化进程)的主要因素是蒸汽温度和压力，而主蒸汽管运行中，内部蒸汽温度和压力的波动一般很小。虽然也有超温超压的状况，但时间都较短，所以，管道直管和弯管等各部位金属内部结构变化发展程度应该相同，试验数据证实了这一点。关于使用性能试验数据指标弯管稍高于直管的问题，可能与弯管制造过程中，弯曲部位金属变形严重造成的金属加工硬化现象有关。特别是20世纪70年代生产弯管的工艺水平低，虽然加工成型后要进行热处理，但加工硬化问题往往不能完全予以消除，结果在一定程度上提高了金属的力学性能指标，而主蒸汽管在运行温度范围(510～550℃)内运行，则对于改善这种情况的作用并不大。

三、弯管的金属特性变化

主蒸汽管道在长时间运行后金属性能会降低。由于弯管比直管故障率高，行业内一直认为弯管的金属组织老化速度要快于直管。针对这一问题有学者进行了系统性的对比试验，结果表明：运行过程中，低合金钢主蒸汽管直管损伤略大于弯管损伤程度。直管与弯管的损伤程度与弯管壁厚、弯管结构应力及弯制中的损伤等因素有关。

(1)随着运行时间的增长，在某些情况下，如弯管壁厚较直管厚度大时，直管的金属老化进程要比弯管稍快。因此，就金属组织检验而言，弯管并不具有管道材质老化的典型意义。在主蒸汽管道的监督中，不能以弯管的抽查代替直管的检验，必须按照规程要求，重视直管的检验。(2)金相检验等理化试验方式可以直接考察弯管的组织老化程度，“复圆”不是弯管蠕变损伤发展的唯一趋势。控制弯管不圆度的目的，在于以不圆度标准控制弯管应力集中程度。在5MPa内压作用下，η=5．3％时，弯管外弧环向应力是直管的2．45倍，当η=12．0％时则达到了3．1倍。可见，弯管的应力集中程度随着不圆度的增大而增大。

结束语

弯管不圆度指标反映了应力的集中程度，弯管应力集中程度随着弯管不圆度的增加而增大。弯管不圆度的变化受外载弯矩和管道内压的共同作用，其有加大、不变、减小3种趋势。外载弯矩对弯管所产生的附加应力提高了弯管破坏的危险程度。在弯管椭圆截面壁厚相差不大的情况下，管道内压导致的环向应力在椭圆短轴内弧位置有最大值，但在考虑弯管外弧壁厚减薄，以及涉及外载弯矩的情况下，弯管最大应力位置也可能出现在椭圆短轴外弧位置。因此，在对弯管的监督中，不能一概而论地认为最大应力值都在弯管外弧部位。弯管复杂的应力状态并不一定使其金属特性老化进程快于直管。

参考文献：

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[2]寿玉坡．高温蒸汽管道弯管的技术监督[A]．全国第六届电站金属构件失效分析与寿命管理学术会议论文集[c]．2015．