不等厚P92鋼彎頭的球形缺陷應(yīng)力分析及預(yù)測

葉盛春, 張何鏡, 郭延軍, 肖開儒, 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[1]。在制作和安裝過程中,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,近年來國內(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彎頭常見的球形缺陷進(jìn)行研究，結(jié)果可為相關(guān)人員提供參考。

1 有限元分析

1.1 計(jì)算模型

對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

1.2 彎頭材料性能

該彎頭在現(xiàn)場工況下的設(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。

1.3 載荷、邊界條件及網(wǎng)格劃分

因?yàn)閺濐^為對稱結(jié)構(gòu)，所以取彎頭的一半為研究對象[7]，在彎頭直段與x軸方向垂直的端面施加x軸方向的對稱約束，在彎頭直段與z軸方向垂直的端面施加z軸方向的對稱約束，在彎頭與y軸垂直的對稱面上施加y軸方向的對稱約束，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)格類型為C3D10。

圖3 含缺陷彎頭的網(wǎng)格劃分示意

2 結(jié)果與分析

2.1 不同位置缺陷的應(yīng)力分析

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，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。

2.2 球形缺陷最大應(yīng)力預(yù)測模型的建立

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軸向截面對其球形缺陷的最大等效應(yīng)力進(jìn)行擬合(見圖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)

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)過模擬分析發(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)測方程。