葉盛春, 張何鏡, 郭延軍, 肖開(kāi)儒, 江毅明, 李海洋
(1.福建華電邵武能源有限公司, 邵武 354000;2.華電電力科學(xué)研究院有限公司, 杭州 310030)
電站管道的彎頭能夠提高管路的柔性及改變管道的方向,緩解管道產(chǎn)生的約束力與振動(dòng)[1]。在制作和安裝過(guò)程中,彎頭容易產(chǎn)生缺陷[2],這些缺陷的存在將影響彎頭的使用壽命,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外曾多次發(fā)生主蒸汽管道彎頭爆裂事故[3-4],因此彎頭是電站檢驗(yàn)人員需要重點(diǎn)關(guān)注的部件之一。筆者利用有限元方法對(duì)彎頭常見(jiàn)的球形缺陷進(jìn)行研究,結(jié)果可為相關(guān)人員提供參考。
對(duì)超超臨界主蒸汽管道P92鋼彎頭進(jìn)行應(yīng)力模擬分析。該彎頭的規(guī)格為419 mm×103 mm(外徑×壁厚),彎曲半徑為991 mm,外弧設(shè)計(jì)壁厚為108 mm,內(nèi)弧設(shè)計(jì)壁厚為136 mm,為消除彎頭邊界效應(yīng)的影響,給彎頭兩端增加長(zhǎng)度為700 mm的直段[5]。
在內(nèi)壓載荷的作用下,90°彎頭中球形缺陷的尺寸對(duì)其最大應(yīng)力的影響并不明顯[6]。為分析球形缺陷在彎頭不同位置的受力情況,模擬的球形缺陷直徑為8 mm,分別分布在彎頭軸向角度為0°,15°,30°,45°(記為zx_0,zx_15,zx_30,zx_45)的軸向截面,在各截面位置構(gòu)造環(huán)向角度分別為0°,45°,90°,135°,180°(記為hx_0,hx_45,hx_90,hx_135,hx_180),且至內(nèi)壁距離分別為5,10,20,40,60,80,100 mm。缺陷在彎頭中的分布如圖1所示。
圖1 缺陷在彎頭中的分布示意
該彎頭在現(xiàn)場(chǎng)工況下的設(shè)計(jì)壓力為27.49 MPa,已知在電站運(yùn)行工況下的設(shè)計(jì)溫度為610 ℃,且在該溫度下彎頭的泊松比為0.28,彈性模量為1.69×105MPa。
因?yàn)閺濐^為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),所以取彎頭的一半為研究對(duì)象[7],在彎頭直段與x軸方向垂直的端面施加x軸方向的對(duì)稱(chēng)約束,在彎頭直段與z軸方向垂直的端面施加z軸方向的對(duì)稱(chēng)約束,在彎頭與y軸垂直的對(duì)稱(chēng)面上施加y軸方向的對(duì)稱(chēng)約束,且垂直于管道內(nèi)表面施加27.49 MPa的壓力載荷,彎頭加載如圖2所示。
圖2 彎頭加載示意
彎頭在內(nèi)壓作用下,內(nèi)弧側(cè)區(qū)域的應(yīng)力較為集中[8],故在彎頭內(nèi)弧側(cè)的網(wǎng)格密度相較于外弧側(cè)更加稠密,且位于彎頭缺陷區(qū)域的應(yīng)力比其他部位更加集中,在彎頭缺陷位置附近的網(wǎng)格密度需大于其他部位[9],含缺陷彎頭的網(wǎng)格劃分如圖3所示。模擬劃分的網(wǎng)格類(lèi)型為C3D10。
圖3 含缺陷彎頭的網(wǎng)格劃分示意
直徑為8 mm的球形缺陷在彎頭不同軸向截面位置的最大等效應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4可知:當(dāng)缺陷位于角度為0°(zx_0)的彎頭軸向截面時(shí),隨著缺陷與內(nèi)壁距離的增加,其最大等效應(yīng)力呈下降趨勢(shì),且當(dāng)zx_0軸向截面的環(huán)向角度為0°(hx_0)時(shí),距離內(nèi)壁最近處的球形缺陷等效應(yīng)力最大,為156 MPa;當(dāng)缺陷位于角度為15°(zx_15)的彎頭軸向截面時(shí),球形缺陷的最大等效應(yīng)力隨著與內(nèi)壁距離的增加而下降,當(dāng)zx_15軸向截面的環(huán)向角度為0°(hx_0)時(shí),距內(nèi)壁最近處的缺陷等效應(yīng)力最大,為163 MPa;當(dāng)缺陷位于角度為30°(zx_30)的彎頭軸向截面時(shí),缺陷的最大等效應(yīng)力隨著與內(nèi)壁距離的增加而下降,當(dāng)zx_30軸向截面的環(huán)向角度為0°(hx_0)時(shí),缺陷距內(nèi)壁最近處的應(yīng)力最大,為165.6 MPa;當(dāng)缺陷位于角度為45°(zx_45)的彎頭軸向截面時(shí),缺陷的最大等效應(yīng)力隨著與內(nèi)壁距離的增加而下降;當(dāng)zx_45軸向截面的環(huán)向角度為0°(hx_0)時(shí),與內(nèi)壁最近處的缺陷等效應(yīng)力最大,為160 MPa。
在zx_0軸向截面中,與彎頭內(nèi)壁相同距離的球形缺陷在不同的環(huán)向位置,其缺陷的最大等效應(yīng)力基本相同;而在zx_15,zx_30,zx_45軸向截面中,與彎頭內(nèi)壁距離相同的球形缺陷在hx_0的環(huán)向位置等效應(yīng)力最大,位于hx_15環(huán)向位置的缺陷最大等效應(yīng)力次之,hx_90,hx_135,hx_180環(huán)向位置球形缺陷的最大等效應(yīng)力最小,且基本一致。
由上述分析可知,球形缺陷位于zx_15,zx_30,zx_45軸向截面,缺陷的最大等效應(yīng)力隨著環(huán)向位置和缺陷與內(nèi)壁距離的變化基本一致,且符合一定的函數(shù)關(guān)系,因此取zx_45軸向截面對(duì)其球形缺陷的最大等效應(yīng)力進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖5),球形缺陷與彎頭內(nèi)壁的距離和其最大等效應(yīng)力符合函數(shù)關(guān)系式(1)。
圖4 不同軸向截面位置彎頭球形缺陷(8 mm)的最大等效應(yīng)力分布
圖5 45°軸向截面缺陷隨環(huán)向位置變化的最大應(yīng)力分布
(1)
式中:x為缺陷中心與彎頭內(nèi)壁的距離;y為球形缺陷的最大等效應(yīng)力;A,B,C分別為球形缺陷位于同一個(gè)環(huán)向位置時(shí)的常量。
隨著缺陷環(huán)向位置的變化,式(1)中的A,B,C也將發(fā)生變化。隨著球形缺陷環(huán)向角度的增加,A,B,C的變化如圖6所示。
圖6 A,B,C隨環(huán)向位置的變化
A隨環(huán)向角度的變化如式(2)所示。
式中:θ為缺陷所處的環(huán)向角度。
B隨環(huán)向角度的變化如式(3)所示。
B(θ)=-0.182 4θ-4.87×10-3θ2+
7.032 4×10-5θ3-2.265 91×10-7θ4+95.5
(3)
C隨環(huán)向角度的變化如式(4)所示。
位于彎頭15°~85°軸向截面球形缺陷的最大等效應(yīng)力σmax如式(5)所示。
(5)
(1) 經(jīng)過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn):缺陷在彎頭內(nèi)弧側(cè)近內(nèi)壁側(cè)的應(yīng)力最集中,隨著缺陷與彎頭內(nèi)壁距離的增加,球形缺陷的最大等效應(yīng)力逐漸下降。
(2) 球形缺陷在0°軸向截面時(shí),在不同環(huán)向位置的缺陷最大等效應(yīng)力隨壁厚變化的趨勢(shì)基本一致;缺陷在15°,30°,45°軸向截面位置時(shí),隨著環(huán)向位置、缺陷與內(nèi)壁距離的變化,最大等效應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本一致。
(3) 根據(jù)球形缺陷最大等效應(yīng)力隨環(huán)向位置與壁厚的變化,對(duì)缺陷最大等效應(yīng)力進(jìn)行擬合,建立了球形缺陷在彎頭15°~85°軸向截面的最大應(yīng)力預(yù)測(cè)方程。