叶盛春1,张何镜1,郭延军2,肖开儒1,江毅明1,李海洋2

(1.福建华电邵武能源有限公司,邵武 354000;2.华电电力科学研究院有限公司,杭州 310030)

摘 要:对含球形缺陷 P92钢弯头的应力情况进行分析,根据球形缺陷最大等效应力与壁厚、环 向角度的函数关系,建立了弯头轴向截面为15°~85°的缺陷最大应力预测方程。结果表明:不同轴 向截面对球形缺陷的应力影响不大,缺陷在弯头的内弧侧应力更为集中,且随着缺陷与内壁距离的 增加,其应力逐渐下降。

关键词:弯头;应力;有限元分析;球形缺陷 中图分类号:O242.21 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)10-0026-03

电站管道的弯头能够提高管路的柔性及改变管 道的方向,缓解管道产生的约束力与振动[1]。在制 作和安装过程中,弯头容易产生缺陷[2],这些缺陷的 存在将影响弯头的使用寿命,近年来国内外曾多次 发生主蒸汽管道弯头爆裂事故[3-4],因此弯头是电站 检验人员需要重点关注的部件之一。笔者利用有限 元方法对弯头常见的球形缺陷进行研究,结果可为 相关人员提供参考。

1 有限元分析

1.1 计算模型

对超超临界主蒸汽管道 P92 钢弯头进行应力 模拟分析。该弯头的规格为419mm×103mm(外 径×壁厚),弯曲半径为991 mm,外弧设计壁厚为 108mm,内弧设计壁厚为136 mm,为消除弯头边 界效应的影响,给弯头两端增加长度为700mm 的 直段[5]。 在内压载荷的作用下,90°弯头中球形缺陷的尺 寸对其最大应力的影响并不明显[6]。为分析球形缺 陷在弯头不同位置的受力情况,模拟的球形缺陷直 径为8 mm,分别分布在弯头 轴 向 角 度 为 0°,15°, 30°,45°(记为zx_0,zx_15,zx_30,zx_45)的轴向截 面,在各截面位置构造环向角度分别为0°,45°,90°, 135°,180°(记为 hx_0,hx_45,hx_90,hx_135,hx_ 180),且 至 内 壁 距 离 分 别 为 5,10,20,40,60,80, 100mm。缺陷在弯头中的分布如图1所示。

1.2 弯头材料性能 该弯头在现场工况下的设计压力为27.49MPa已知在电站运行工况下的设计温度为610 ℃,且在 该温度下弯头的泊松比为0.28,弹性模量为1.69× 10 5 MPa。

1.3 载荷、边界条件及网格划分

因为弯头为对称结构,所以取弯头的一半为研 究对象[7],在弯头直段与x 轴方向垂直的端面施加 x 轴方向的对称约束,在弯头直段与z 轴方向垂直 的端面施加z 轴方向的对称约束,在弯头与y 轴垂 直的对称面上施加y 轴方向的对称约束,且垂直于 管道内表面施加27.49 MPa的压力载荷,弯头加载 如图2所示。

弯头在内压作用下,内弧侧区域的应力较为集 中[8],故在弯头内弧侧的网格密度相较于外弧侧更 加稠密,且位于弯头缺陷区域的应力比其他部位更 加集中,在弯头缺陷位置附近的网格密度需大于其 他部位[9],含缺陷弯头的网格划分如图3所示。模 拟划分的网格类型为 C3D10。

2 结果与分析

2.1 不同位置缺陷的应力分析

直径为8mm 的球形缺陷在弯头不同轴向截面 位置的最大等效应力分布如图 4 所示。由图 4 可 知:当缺陷位于角度为0°(zx_0)的弯头轴向截面时, 随着缺陷与内壁距离的增加,其最大等效应力呈下 降趋势,且当zx_0轴向截面的环向角度为0°(hx_ 0)时,距离内壁最近处的球形缺陷等效应力最大,为 156MPa;当缺陷位于角度为15°(zx_15)的弯头轴 向截面时,球形缺陷的最大等效应力随着与内壁距 离的增加而下降,当zx_15轴向截面的环向角度为 0°(hx_0)时,距内壁最近处的缺陷等效应力最大,为 163MPa;当缺陷位于角度为30°(zx_30)的弯头轴 向截面时,缺陷的最大等效应力随着与内壁距离的 增加 而 下 降,当 zx_30 轴 向 截 面 的 环 向 角 度 为 0°(hx_0)时,缺 陷 距 内 壁 最 近 处 的 应 力 最 大,为 165.6MPa;当缺陷位于角度为45°(zx_45)的弯头 轴向截面时,缺陷的最大等效应力随着与内壁距离 的增加而下 降;当 zx_45 轴 向 截 面 的 环 向 角 度 为 0°(hx_0)时,与内壁最近处的缺陷等效应力最大,为 160MPa。 在zx_0轴向截面中,与弯头内壁相同距离的球 形缺陷在不同的环向位置,其缺陷的最大等效应力 基本相同;而在zx_15,zx_30,zx_45轴向截面中,与 弯头内壁距离相同的球形缺陷在hx_0的环向位置 等效应力最大,位于hx_15环向位置的缺陷最大等 效应力次之,hx_90,hx_135,hx_180环向位置球形 缺陷的最大等效应力最小,且基本一致。

2.2 球形缺陷最大应力预测模型的建立

由上述分析可知,球形缺陷位于zx_15,zx_30,zx _45轴向截面,缺陷的最大等效应力随着环向位置和 缺陷与内壁距离的变化基本一致,且符合一定的函数 关系,因此取zx_45轴向截面对其球形缺陷的最大等效应力进行拟合(见图5),球形缺陷与弯头内壁的 距离和其最大等效应力符合函数关系式(1)。 y=Ae -x B +C (1) 式中:x 为缺陷中心与弯头内壁的距离;y 为球形缺 陷的最大等效应力;A,B,C 分别为球形缺陷位于 同一个环向位置时的常量。

随着缺陷环向位置的变化,式( 也将发生变化。随着球形缺陷环向 1 角 ) 度 中 的 的 增 A 加 ,B ,A ,C , B,C 的变化如图6所示。 A 随环向角度的变化如式(2)所示。 A(θ)=-0.70981θ+6.47×10 -3θ 2 - 1.43576×10 -5θ 3 +125.61 (2) 式中:θ为缺陷所处的环向角度。 B 随环向角度的变化如式(3)所示。 B(θ)=-0.1824θ-4.87×10 -3θ 2 + 7.0324×10 -5θ 3 -2.26591×10 -7θ 4 +95.5 (3) C 随环向角度的变化如式(4)所示。 C(θ)=0.43947θ-5.57×10 -3θ 2 + 1.6×10 -5θ 3 +40.78857 (4) 位于弯头15°~85°轴向截面球形缺陷的最大等 效应力σmax 如式(5)所示

3 结论 (1)经过模拟分析发现:缺陷在弯头内弧侧近 内壁侧的应力最集中,随着缺陷与弯头内壁距离的 增加,球形缺陷的最大等效应力逐渐下降。 (2)球形缺陷在0°轴向截面时,在不同环向位 置的缺陷最大等效应力随壁厚变化的趋势基本一 致;缺陷在15°,30°,45°轴向截面位置时,随着环向 位置、缺陷与内壁距离的变化,最大等效应力的变化 趋势基本一致。 (3)根据球形缺陷最大等效应力随环向位置与壁 厚的变化,对缺陷最大等效应力进行拟合,建立了球形 缺陷在弯头15°~85°轴向截面的最大应力预测方程。