鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中的裂紋問題研究

郭素琴

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450000）

在工業(yè)不斷發(fā)展的趨勢下，鍋爐壓力容器已成為現(xiàn)代工業(yè)中應用較為廣泛的工業(yè)設備，無論是冶金、機械制造，還是電力與石油化工，都越來越重視鍋爐壓力容器的應用。鍋爐壓力容器在使用的過程中，會出現(xiàn)不同程度的結(jié)構(gòu)性損傷，這些損傷會導致整個容器的壓力管道中產(chǎn)生裂紋，大多數(shù)裂紋的產(chǎn)生可以追溯到受到裝載物質(zhì)腐蝕而產(chǎn)生的蝕坑，這些蝕坑的應力會導致管道內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。為了使這類設備在實際應用中發(fā)揮更大的能效，在工藝技術(shù)方面，目前鍋爐壓力容器的發(fā)展方向是以大規(guī)模設備為主，整體架構(gòu)更加復雜。在實際應用中，壓力管道中產(chǎn)生的裂紋影響整個容器質(zhì)量，經(jīng)常發(fā)生管道斷裂的安全事故，這類事件的發(fā)生導致無法保障鍋爐壓力容器使用的安全性。該研究結(jié)合國內(nèi)外相關研究文獻，基于已有的分析成果對鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中的裂紋問題進行研究。

1 斷裂理論——應力強度因子

在斷裂理論中，對應力強度因子的界定主要依據(jù)裂紋端部力量，該力量的大小由裂紋的大小決定。裂紋形成斷裂主要原因為應力強度因子加大，臨界應力強度因子能夠體現(xiàn)出材料抗斷裂的能力，在理論學說中以斷裂韌性來界定。單從應力腐蝕裂紋來看，因鍋爐內(nèi)鋼板在與高濃度減稅接觸后，會使鍋爐內(nèi)的金屬晶體與晶間產(chǎn)生電位差，在該情形下的晶粒電位高為陰極，而晶間為陽極，最終在晶粒和晶間之間會產(chǎn)生微電流，這會不斷腐蝕鍋爐結(jié)構(gòu)，導致內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，這種裂紋的產(chǎn)生在于苛性脆化因素，這種因素能夠由內(nèi)到外不斷擴展，最終會集中于應力最大處，使這一部位產(chǎn)生裂紋，這種裂紋的形成時間較短且會隨著鍋爐間晶體結(jié)構(gòu)不斷的變化，在微電流的影響下，導致裂紋處面積不斷加大，使裂紋問題越來越嚴重。斷裂理論中對裂紋所產(chǎn)生的斷裂現(xiàn)象進行了明確界定，即在裂紋尖端的應力強度因子值，在達到或是超出裂紋材料斷裂韌性，就代表裂紋目前正處于失穩(wěn)擴展的變化形態(tài)中，裂紋通過穿透晶體，沿著晶體結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，最終在顯微鏡下呈現(xiàn)的斷裂形態(tài)為放射狀，這是鍋爐內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)特性，隨著斷裂面積不斷加大以及裂紋形態(tài)的變化，裂紋會對整個結(jié)構(gòu)造成破壞，最終產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，如公式（1）所示。

在鍋爐壓力容器的壓力管道中，表面裂紋和管道內(nèi)部裂紋的處理方式不同，對這類表面構(gòu)建的裂紋來說，應力強度因子見式（2）。

表1 第二類橢圓積分值

在鍋爐壓力容器中，裂紋存在的形式有3 種，具體如圖1、圖2 所示，這兩種裂紋形式各有差異，第一種是軸方向上拉應力而導致裂紋上下張開，其被稱之為張開型裂紋；第二種則是軸方向上應力導致裂紋前后滑移的滑移型裂紋；常見的還有以軸方向應力為基準形成裂紋左右撕開的形態(tài)，稱之為撕開型裂紋，因為對這種裂紋類型研究很少，所以不進行詳細敘述。張開型裂紋造成的安全事故最嚴重，它的危害性較強，容易使材料低應力脆斷，在下文中依據(jù)第一種I 型裂紋來分析相關問題。

圖1 I 型裂紋

圖2 II 型裂紋

2 數(shù)值模擬

在鍋爐壓力容器管道檢驗中，大部分裂紋均以表面裂紋的形態(tài)呈現(xiàn)，且在尺寸大小方面，要比自身結(jié)構(gòu)曲率半徑小得多，在分析裂紋問題方面，能夠?qū)⒐艿乐写嬖诘牧鸭y等效為表面含半橢圓裂紋平板受拉問題。某鍋爐壓力容器的軸向應力是83.2MPa，環(huán)向應力是146MPa，其結(jié)構(gòu)的表層存有半橢圓裂紋，而橢圓長短半軸分別是=10mm，=4mm。結(jié)合應力學理論來看，在鍋爐壓力容器壓力管道中，內(nèi)壓會形成環(huán)向應力與軸向應力，該應力計算如式（3）和式（4）所示。

式中：為鍋爐壓力容器所承受的內(nèi)壓；為鍋爐壓力容器的直徑，是鍋爐壓力容器的壁厚。應力公式表達的方式能夠體現(xiàn)出環(huán)向應力是整個容器壓力管道中的最大主應力，選取該應力作為裂紋端部應力強度因子分析值，結(jié)合相關模型分析裂紋應力強度因子的過程。

2.1 表面半橢圓裂紋集合模型

依據(jù)ABAQUS 運用來構(gòu)建含裂紋的幾何模型，結(jié)合該模型的對稱性來構(gòu)建1/4 表面含半橢圓裂紋的幾何模型，其中存在含裂紋和非裂紋的部分。

2.2 有限元模型構(gòu)建

當分析鍋爐壓力容器管道檢驗中的裂紋問題時，要想了解在壓力管道中多蝕坑與裂紋的變化規(guī)律和相互作用，就要通過構(gòu)建有限元模型，結(jié)合 SolidWorks 構(gòu)建內(nèi)徑為600mm～800mm、壁厚為60mm～80mm 的鍋爐壓力容器有限元模型。該模型屬于連續(xù)性對稱均勻?qū)嶓w，要想使有限元計算工作量降低，還須對整個壓力容器沿進行分割，依據(jù)中心點進行對稱分割，具體可分為4 個部分，并取1/4 結(jié)合至ANSYS 中來完成有限元仿真計算。結(jié)合雙參數(shù)法=′/與=/，該式子中的代表了蝕坑長深比，則代表蝕坑位置參數(shù)。

在不同類型的蝕坑模型建立中，須改變和，使蝕坑底部曲率與橢球中心垂直位置產(chǎn)生變化。在0.2的情況下，整個壓力管道內(nèi)部的裂紋應力最大值將存在于蝕坑底部，最終使管道局部部位出現(xiàn)斷裂。

依據(jù)ANSYS 模型網(wǎng)格劃分來看，考慮到有限元模型連續(xù)均勻的特性，在實際劃分中可依據(jù)掃略的方式和2 節(jié)點SOLID186 單元設置進行模型劃分，并依據(jù)CONTACT174 接觸單元運用的方式為壓力管道中裂紋網(wǎng)格和完整網(wǎng)格之間的有效連接提供保障。從而使裂紋應力強度因子數(shù)值計算得出的結(jié)果更加精確。除此之外，還可通過設置6 條積分圍道數(shù)來防止鍋爐壓力容器底部朝軸方向位移，在容器切割面中，并無摩擦約束，以此來創(chuàng)建有限元計算的邊界條件。

在有限元計算的分析中，為了充分發(fā)揮其實際效能和作用，還須結(jié)合ANSYS 應用來計算不同長深比的裂紋有限元，實際計算得出的數(shù)值要與《應力強度因子手冊》的理論計算結(jié)果做出比較，對比二者來看，最大誤差不超過5%，符合相關要求和標準，代表新建壓力容器有限元模型計算結(jié)果有效。

2.3 邊界條件與載荷

上述構(gòu)建模型的特性在于明確的對稱性，該性質(zhì)能夠在1/4 模型對稱面來加設對稱邊界條件，面①為非裂紋部分，具體邊界條件如下。

面①：（3=1=2=0），對稱邊界條件；面②：（1=2=3=0），對稱邊界條件；頂點③：2=0；載荷：在途裂紋面相平行的面上施加的載荷為鍋爐壓力容器最大主應力，具體值是146MPa。

3 結(jié)果分析

3.1 鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中裂紋對應力的影響

當了解鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中裂紋對應力的影響時，為了體現(xiàn)出研究的全面性與綜合性，還須根據(jù)不同的蝕坑參數(shù)和裂紋長深比來具體了解各項指標在應力強度因子方面的實際影響。選取固定蝕坑深度改變蝕坑半徑′的尺寸與蝕坑參數(shù)；固定裂紋深度改變裂紋長度的尺寸與裂紋長深比/。同時，相關參數(shù)還能改變雙蝕坑、裂紋間距，要想使整個模型更加完整，間距的取值要以≥5mm為基準，這樣才能根據(jù)不同的參數(shù)值獲取相應的應力強度因子。要想明確不同參數(shù)中單蝕坑、裂紋和雙蝕坑、裂紋對鍋里壓力容器壓力管道的影響，須以裂紋長深比/=1、彼此間距=10mm 的數(shù)值進行模擬計算，從而得出在不同情況下，單蝕坑、裂紋與雙蝕坑、裂紋在鍋爐壓力容器壓力管道中的應力分布情況。

這種分析方式可更加明確不同變化規(guī)律下裂紋對整個容器中壓力管道的影響，以了解其應力集中區(qū)域的方式，為預防管道產(chǎn)生斷裂安全事故提供依據(jù)。通常來說，當裂紋主要存在于鍋爐壓力容器底部時，裂紋應力集中值最大。這代表了裂紋在擴展變化中主要依據(jù)軸線方向，該方向同時也是蝕坑危險方向。裂紋應力的大小以受到蝕坑參數(shù)的變化為主，若該參數(shù)不斷加大，會使應力值降低，在不斷加大的情況下，會導致整個蝕坑底部曲率半徑不斷減少，從而帶動裂紋應力集中值的降低，使該區(qū)域應力大小改變。相反，如果參數(shù)不斷減少，就會出現(xiàn)蝕坑底部曲率半徑加大，最終導致裂紋應力集中值不斷提升，逐漸高于規(guī)定值加劇應力集中問題，最終出現(xiàn)壓力管道斷裂的現(xiàn)象。

3.2 鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中裂紋對強度因子的影響

用上述模型構(gòu)建中設置的不同蝕坑參數(shù)與裂紋長深比/的范圍來計算不同名義應力強度因子，在比較分析之后，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸一化，定義名義應力強度因子，如公式（5）所示。

式中：與代表雙蝕坑、裂紋與單蝕坑、裂紋頂端應力強度因子，MPa·mm。

根據(jù)模型斷裂參量有限元計算，結(jié)合蝕坑參數(shù)與裂紋長深比/的應力強度因子，在間距隨著蝕坑與裂紋間距的變化而變化。隨著裂紋不斷產(chǎn)生變化，當蝕坑參數(shù)出現(xiàn)不同時，裂紋長深比/1，還是/1 或/=1，裂紋名義應力強度因子隨距變化趨勢基本相似，實際變化的形態(tài)都以先不斷減少，然后區(qū)域平穩(wěn)變化為主，這也體現(xiàn)出在鍋爐壓力容器壓力管道的校驗中，裂紋和蝕坑間的關系相互影響，彼此間能夠相互作用，且依據(jù)間距值為準，當間距越大時，彼此間的影響會不斷變小直至穩(wěn)定，但其名義應力強度因子總是大于1。從中也體現(xiàn)出雙蝕坑、裂紋的相互影響會導致裂紋尖端應力強度因子不斷集中，從而形成應力集中點來推動裂紋的擴展，以此不斷破壞整個容器壓力管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這就使容器斷裂的危害性不斷加大，安全性不斷降低。為明確隨蝕坑、裂紋間距變化，運用Matlab 對相關數(shù)據(jù)進行擬合，在1、1 與=1 等不同的情況下，經(jīng)驗公式見式（6）～式（8）。

除此之外，在鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中裂紋參數(shù)對名義應力強度因子的影響中，當參數(shù)取0.9、1.0、1.1 與2.0時，可依據(jù)預設值代入式（6）～式（8）來計算得出不同的蝕坑參數(shù)，以此進一步明確蝕坑、裂紋間距下名義應力強度因子隨裂紋長深比/的變化規(guī)律。從中可以發(fā)現(xiàn)，當參數(shù)的取值不同時，具體呈現(xiàn)的變化規(guī)律存在較大差異，例如當≥1 時，容器壓力管道中的應力強度因子以前期增多、中期減少及后期增多的規(guī)律進行變化；而當1 時，應力強度因子的變化不夠顯著，無法得出變化規(guī)律。同時，在間距的變化下，如果其先增多，隨后減少，體現(xiàn)為在提升到一定值后對裂紋名義應力強度因子無影響。

4 結(jié)語

結(jié)合上述研究分析來看，在鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中裂紋問題的分析下，結(jié)合了雙參數(shù)法來構(gòu)建通單蝕坑裂紋與雙蝕坑裂紋的模型，以=0 為基準，分析壓力管道中裂紋具體參數(shù)及對壓力管道的應力，結(jié)合應力強度因子的分析，了解壓力管道檢驗中裂紋的變化規(guī)律。從中發(fā)現(xiàn)在蝕坑參數(shù)提升的情況下，整個容器蝕坑底部曲率半徑會降低，以此來改良壓力管道中應力集中的情況，依據(jù)改變裂紋變化規(guī)律的方式預防管道中斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。為了更加明確鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中裂紋的實際變化情況，深入了解其應力強度因子的具體關系，基于模型研究來分析間距值，在該值不斷加大的情況下，裂紋的應力強度因子在變化方面會先減少，隨后逐漸趨于平穩(wěn)發(fā)展。總的來說，在預防裂紋產(chǎn)生方面，針對因應力腐蝕而形成的裂紋，須在鍋爐使用的過程中把握每一個操作的細節(jié)，從開始運用、運行中到停止等階段都要平穩(wěn)過度，確保鍋爐內(nèi)的溫度足夠穩(wěn)定，沒有太大變化，在平緩變化下，可防止鍋爐內(nèi)金屬材料出現(xiàn)因單位時間中溫差較大而產(chǎn)生交變應力進而引發(fā)裂紋的現(xiàn)象。結(jié)合應力學，基于斷裂理論來探究鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中的裂紋問題能夠為該設備在裂紋問題分析方面注入新的思想，提出創(chuàng)新性研究思路，從而為相關研究及鍋爐壓力容器實際應用中裂紋問題的明確與解決提供依據(jù)。在裂紋預防中，通過選用合理的鍋爐及受壓元件的制造材料，應用鋁合金先進焊接工藝來減少受壓元件板邊次數(shù)，它的核心要素在于增強板邊處強度，使其比金屬屈服點強度高。