韓 娟，曾詠奎，施少波

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430223）

0 引言

某核電廠在大修期間執(zhí)行某管線試驗時，發(fā)現(xiàn)主管與安全閥小支管交接處管座焊縫出現(xiàn)貫穿性缺陷，有水流噴出，國內也曾發(fā)生過多起B(yǎng)OSS 頭焊縫失效事件[1-2]。針對該失效焊縫，分析了各種可能的故障模式，歸納為：①小尺寸支管接頭（BOSS頭）焊縫質量缺陷；②管道振動不合格導致焊縫疲勞失效；③安全閥異常跳動沖擊影響；④管道中存在積氣導致流體振蕩，振蕩產(chǎn)生的脈沖應力促使焊縫開裂。

經(jīng)排查，最終確定焊縫失效的直接原因為：管道內積氣產(chǎn)生流體振蕩導致的焊縫疲勞開裂。根本原因為：系統(tǒng)管道設計布置局限，無法將管道內氣體排盡，殘留氣體引起啟泵時流體振蕩導致焊縫疲勞開裂。管道積氣導致的流體振蕩本質為啟泵時液體壓縮氣體，由于氣體的可壓縮性，造成管道內壓力急劇變化，同時引起流體振蕩，振蕩的流體作用于管道彎頭處，使管道發(fā)生軸向竄動。在流體沖擊力與振蕩的壓力載荷共同作用下，導致該管線主管與支管連接BOSS 頭焊縫處應力的交變。

本研究以失效BOSS 頭焊縫所在管系為研究對象，通過一維管道熱流體系統(tǒng)仿真軟件FLOWMASTER 建立整個系統(tǒng)模型，計算離心泵啟動瞬間系統(tǒng)在不同積氣量下BOSS 頭焊縫附近壓力和流速隨時間的變化歷程。隨后采用有限元分析軟件ANSYS 建立BOSS 頭焊縫處的三維有限元模型，計算隨時間變化的壓力和流速載荷作用下BOSS 頭焊縫處的應力狀態(tài)，評估BOSS 頭焊縫不會發(fā)生因系統(tǒng)積氣導致流體振蕩進而引起疲勞失效時系統(tǒng)的最大積氣量。

1 理論分析

泵啟動時，因管道內存在積氣導致流體振蕩，工程上對于流體振蕩引起的瞬時局部壓力變化計算公式為[3]：

作用于彎頭的水擊力為：

式（1）、式（2）中，ΔP 為水擊引起的瞬時壓力變化值，Pa；Δv為流速的瞬時變化量，m/s；α 為壓力傳播速度，m/s；ρ 為發(fā)生水擊前的流體密度，kg/m3；K 為液體的體積彈性模量，Pa；δ 為管道壁厚，m；E 為管道彈性模量，Pa；Di為管子內徑，m；A為管道流體流通截面積，m2；F 為水擊產(chǎn)生的沖擊力，N。

2 失效焊縫處壓力計算

管道系統(tǒng)內存在積氣，泵啟動瞬間壓力不穩(wěn)定，流體突然獲得加速度擠壓氣腔，由于氣體的可壓縮性，管道內產(chǎn)生流體振蕩。若泵的性能曲線及啟動規(guī)程已知，則可通過一維管道熱流體系統(tǒng)仿真軟件FLOWMASTER 建立管系模型，設置泵的特性及啟動程序，設置積氣位置的氣腔大小，計算獲得泵啟動時管道內流速變化時間歷程。

本文分析的系統(tǒng)管線存在積氣的位置為某主管及支管。為進一步分析管道內積氣量對管道失效的影響，本文使用一維流體建模軟件FLOWMASTER 對系統(tǒng)進行建模分析。在泵啟動過程中，模型中不考慮下游隔離閥的打開，不考慮支管中安全閥的起跳。分別計算積氣量為200 L、100 L、30 L 及無積氣時，泵啟動瞬間BOSS 頭焊縫附近的壓力時間歷程，結果見圖1～圖4。

圖1 積氣量200 L 時間—壓力曲線

圖1 計算結果表明，在啟泵過中，由于系統(tǒng)管道內的壓力迅速升高，并且支管與主管連接處管道內存在大量的積氣，因此支管和主管連接處會有較大的壓力波動，第一個波峰的壓力值最大為3.58 MPa，該壓力已經(jīng)超過安全閥的整定壓力（2.2 MPa）。

調整積氣量從200 L 減少至100 L 時，重新計算系統(tǒng)內流體振蕩情況，計算結果如圖2 所示。當管道內積氣量減少時，流體振蕩的最大壓力值明顯降低（2.8 MPa）。計算結果表明管道內積氣量的多少直接影響泵啟動時管道內流體振蕩的大小。

圖2 積氣量100 L 時間—壓力曲線

安全閥是否起跳對主管與支管連接處的流體振蕩影響較小，但是安全閥的頻繁起跳容易導致安全閥波紋管開裂。

為了避免管道內流體振蕩引起安全閥起跳，需要計算系統(tǒng)壓力達到安全閥起跳壓力（2.2 MPa）時管道內的積氣量。通過改變管道內積氣量，計算系統(tǒng)壓力振蕩的最大值。經(jīng)過多次計算得出，當管道內積氣量為30 L 時，系統(tǒng)流體振蕩的最大壓力值為2.2 MPa，壓力達到安全閥起跳壓力（圖3）。

圖3 積氣量30 L 時間—壓力曲線

當管道內不存在氣腔時，管道連接處的壓力波動情況如圖4 所示，不存在壓力波動情況，與泵啟動時出口壓力曲線一致。主管與支管連接處的氣腔的存在，泵啟動時引起管道內的流體振蕩。

圖4 無積氣的時間—壓力曲線

3 焊縫處應力計算

根據(jù)BOSS 頭焊縫處管線軸測圖及支吊架位置建立分析模型，采用三維SOLID185 單元建立詳細的局部三維有限元模型（圖5），其他連接管線采用一維PIPE288 單元，根據(jù)支吊架位置和功能形式施加相應的約束。

圖5 三維有限元分析模型

參考ASME BPVC.II.D.M—2015，取不銹鋼材料的基本物理性能和力學性能。參考ASME BPVC.III.2015 附錄A 表I-9.1 不銹鋼材料的疲勞性能曲線，該不銹鋼材料的10E11 次疲勞次數(shù)對應的疲勞持久極限為93.7 MPa。

利用FLOWMASTER 計算管道在200 L、100 L、30 L 和主管道無集氣等4 個不同積氣量下的壓力時間歷程，根據(jù)式（1）計算流體振蕩在BOSS 頭焊縫附件主管彎頭處的水擊力。該水擊力作為有限元計算的載荷輸入，作用在BOSS 頭附近的彎頭上，管道水溫為常溫，因此不用考慮溫度載荷影響。BOSS 頭焊縫為工廠預制焊縫，焊材為ER316L，接管座為PM 級不銹鋼，主管及支管材料為Z2CN1810。采用ANSYS 瞬態(tài)動力學分析計算焊縫處的應力狀態(tài)。

圖6 為主管道上BOSS 頭焊縫邊緣周向均布的8 個點，其中1#點為與小支管從主管垂直向下引出后再水平走向相對的焊縫頂點處，順時針按45°依次為2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#點，由圖6 可知，該時刻焊縫在2#、4#、6#、8#點均有較大應力。

圖6 焊縫周邊8 個均布點

分別提取焊縫8 個點在不同積氣量下的流體振蕩產(chǎn)生的應力時間歷程，分析焊縫邊緣處應力變化狀態(tài)（圖7）。

圖7 不同積氣量時焊縫8 個點上的應力時間歷程

由圖7 可知，200 L 時所有點有相同的應力變化趨勢，2#、4#、6#、8#號點應力均大于相同時刻1#、3#、5#、7#號點應力，且1#、3#、5#、7#號點應力小幅波動比較劇烈。在泵啟動后焊縫各點應力均在0.8 s 左右達到最大值，最大應力點位于6#點位置，最大應力值320 MPa，應力幅超過了材料的疲勞限值。由圖3 可知，在200 L 積氣量時流體激振產(chǎn)生的壓力波動在0.8 s 達到最大值，超過安全閥起跳壓力，安全閥起跳。安全閥泄壓期間，小支管內流體流速劇烈變化產(chǎn)生的沖擊力作用與小支管彎頭處，泵啟動瞬間由于氣腔的存在，流體激振使管道內壓力和流體速度迅速增加并振蕩衰減，0.8 s 時主管道壓力和流速達到最大值，此時在焊縫處產(chǎn)生最大應力，隨后安全閥起跳，焊縫應力又有小幅增加，安全閥起跳對焊縫應力影響值在50 MPa 左右。3 s 時壓力達到穩(wěn)態(tài)值，安全閥關閉，焊縫各點應力趨于穩(wěn)定值。穩(wěn)態(tài)值的交變應力幅在材料的疲勞極限范圍內，穩(wěn)定后不會發(fā)生疲勞破壞。啟動瞬間由于氣流激振，會有疲勞失效的可能。

由圖7 可知，100 L 積氣量啟泵時由于氣腔的存在，產(chǎn)生流體激振，焊縫周邊有較大的應力波動，在0.6 s 左右2#、4#、6#、8#點達到應力最大值達到240 MPa 左右。當管內壓力超過安全閥起跳壓力時安全閥開啟，小支管中流體流速快速變化，產(chǎn)沖擊力作用于小支管彎頭，使隨后焊縫周邊應力有小幅增加。100 L 積氣量下，安全閥開啟時產(chǎn)生的沖擊力對焊縫處有50 MPa 左右的應力影響。3 s 后應力達到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后的交變應力幅在材料的疲勞極限范圍內、不會發(fā)生疲勞破壞。啟動瞬間，由于氣流激振會有疲勞失效的可能。

由圖7 可知，啟泵時由于30 L 積氣的存在，導致氣流激振、產(chǎn)生壓力脈動，氣流激振產(chǎn)生脈動的水擊力作用于主管道彎頭，當激振壓力超過安全閥起跳壓力時安全閥起跳，連接安全閥與主管道的小支管內流體產(chǎn)生流動，由于壓力的脈動，流體流速發(fā)生變化，產(chǎn)生水擊力作用于小支管彎頭，影響焊縫處的應力狀態(tài)。安全閥開啟后，焊縫處應力發(fā)生了明顯增大，1.7 s 左右8#點出產(chǎn)生210 MPa 的應力，超過了材料的疲勞極限。3 s 后壓力到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后各點應力值與200 L 和100 L 積氣時穩(wěn)態(tài)應力相近，穩(wěn)態(tài)時不會發(fā)生疲勞破壞。

由圖7 可知，主管道內無集氣時焊縫各點應力變化與壓力變化一致，壓力平穩(wěn)后，2#、4#、6#、8#號點應力達到最大值，均不超過112 MPa，交變應力幅值小于材料的疲勞極限，因此該工況下不會發(fā)生疲勞失效。

綜上所述，主管道存在不同積氣時，啟泵瞬間焊縫各點在不同積氣量下應力狀態(tài)變化一致，0.4 s 左右開始振蕩發(fā)散；隨著積氣量的減小，焊縫各點的最大應力相應減小。當流體激振導致管內壓力超過安全閥開啟壓力時安全閥開啟，安全閥內小支管產(chǎn)生的水擊力作用于小支管彎頭，使焊縫應力增大。穩(wěn)定后各點在不同工況下的穩(wěn)態(tài)值相近，穩(wěn)態(tài)下交變應力幅值小于材料的疲勞極限，穩(wěn)定后焊縫不會發(fā)生疲勞失效。主管道存在積氣時，由于氣流激振產(chǎn)生應力波動，超過了材料的疲勞限值，相對來看，4#、6#位置的應力狀態(tài)最惡劣，最容易發(fā)生疲勞失效。積氣量為30 L 時，焊縫各點處的應力幅均小于不銹鋼材料的疲勞持久限值93.7 MPa[4]。

4 結論

管道內存在積氣時，由于氣體的可壓縮性，引起流體振蕩。本文使用一維流體建模軟件FLOWMASTER 對管道系統(tǒng)進行建模分析，獲得不同積氣量下BOSS 頭焊縫處管道內壓力波動歷程，作為有限元應力計算的輸入，經(jīng)過計算得到焊縫周邊8 個點在不同積氣量下的應力時間歷程，可以得到如下的結論：

（1）該管道系統(tǒng)BOSS 頭焊縫附近管道內的積氣量小于30 L時，管道內不會發(fā)生因流體振蕩導致的疲勞失效。

（2）主管道存在積氣時，啟泵瞬間焊縫各點在不同集氣量下的應力變化一致；隨著集氣量的減小，焊縫各點的最大應力相應減小。相對來看，靠近閥門方向左右45 °位置的應力狀態(tài)最惡劣，易發(fā)生疲勞裂紋。