朱金花，秦宗川，徐 鵬

(合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230031)

0 引言

聚乙烯超高壓反應(yīng)管通常采用自增強處理使得內(nèi)壁產(chǎn)生較高的壓縮殘余應(yīng)力，提高容器的彈性承載能力，延長疲勞壽命。但經(jīng)過長期服役，由于溫度、蠕變、壓力循環(huán)以及機械振動［1－2］等原因，反應(yīng)管的自增強殘余應(yīng)力會逐步衰減并導(dǎo)致反應(yīng)管安全儲備喪失。

一直以來，超高壓在役反應(yīng)管的安全評估是一項關(guān)鍵性技術(shù)難題。由于殘余應(yīng)力松弛的誘因過于復(fù)雜，目前尚無通用可靠的理論模型用于確定自增強殘余應(yīng)力的松弛計算，實驗室模擬殘余應(yīng)力松弛［1，5－6］也僅從單一方面考慮，而在實際生產(chǎn)中需綜合考慮溫度、蠕變、壓力循環(huán)等對松弛的影響。針對在役反應(yīng)管取樣，通過試驗分析確定殘余應(yīng)力松弛程度，再根據(jù)實測殘余應(yīng)力水平校核反應(yīng)管的剩余疲勞壽命，以此來判定反應(yīng)器的安全性是目前公認的比較可靠的評估手段。

文中對已經(jīng)服役17年，材料為AISI4333 M4的聚乙烯超高壓反應(yīng)管的剩余殘余應(yīng)力進行了測定，對其衰減規(guī)律進行了初步分析和研究，并核算了管道的剩余疲勞壽命，為安全評估的結(jié)論提供了有力支持。

1 剩余殘余應(yīng)力試驗測試及衰減規(guī)律分析

反應(yīng)管試樣材料AISI4333 M4，設(shè)計內(nèi)徑40 mm，外徑88 mm;實測內(nèi)徑40.30 mm，外徑85.20 mm。反應(yīng)管正常運行壓力235～245 MPa，溫度10～70℃;開停車時溫度0～90℃。設(shè)備初始自增強壓力687 MPa，所取試樣管段已連續(xù)運行17年。利用Sachs的內(nèi)孔逐層鏜削應(yīng)力釋放法測試管道徑向不同厚度上的殘余應(yīng)變。各向殘余應(yīng)力初始理論值和試驗測量值之間的關(guān)系如圖1～3所示。

圖1 周向殘余應(yīng)力初始理論值與實測值對比

圖1示出殘余應(yīng)力的衰減導(dǎo)致周向應(yīng)力峰值點由壁厚的24.67%偏移至77.11%，軸向應(yīng)力峰值點由24.67%偏移至77.11%。

取理論計算所得的初始自增強殘余應(yīng)力和本次實測的自增強殘余應(yīng)力進行比較，可知經(jīng)過17年的運行使用，其內(nèi)壁的周向殘余應(yīng)力衰減了18.0%。

圖2 軸向殘余應(yīng)力初始理論值與實測值對比

圖3 徑向殘余應(yīng)力初始理論值與實測值對比

圖1，2中周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的峰值所在位置對應(yīng)的橫坐標即為超應(yīng)變度，可以看出，經(jīng)過17年的使用后，反應(yīng)管的超應(yīng)變度變大，彈塑性交界面沿徑向向外擴張。這是因為自增強厚壁管的殘余應(yīng)力松弛是在總應(yīng)變不變的情況下，彈性應(yīng)變或者一部分非彈性應(yīng)變向塑性應(yīng)變的轉(zhuǎn)變緩解約束引起的。

按制造工藝厚壁管制造過程中，在自增強處理后應(yīng)進行熱處理，該處理會使得初始殘余應(yīng)力有所下降［8］，故反應(yīng)管的初始殘余應(yīng)力應(yīng)小于理論計算值，也即實際的自增強殘余應(yīng)力衰減應(yīng)低于18.0%，按18.0%的衰減估算得到的平均衰減率進行疲勞強度校核是偏安全的。

2 殘余應(yīng)力衰減規(guī)律分析

圖4示出周向殘余應(yīng)力衰減曲線為V字形，從內(nèi)壁到新的彈塑性交界面處仍保持線性分布，但斜率小于初始殘余應(yīng)力，在新彈塑性交界處，殘余應(yīng)力的衰減曲線處于拐點。從內(nèi)壁到原彈塑性交界面，殘余應(yīng)力的衰減近似呈單調(diào)減變化;從舊彈塑性交界面到新彈塑性交界面，殘余應(yīng)力衰減近似呈單調(diào)增變化。對國內(nèi)學者［3－4］測得服役11年超高壓乙烯反應(yīng)管的軸向殘余應(yīng)力進行分析，發(fā)現(xiàn)其衰減曲線同為V字形，見圖5。

圖4 周向殘余應(yīng)力沿壁厚方向衰減曲線

圖5 服役11年超高壓乙烯反應(yīng)管周向殘余應(yīng)力沿壁厚方向衰減曲線

3 殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響

自增強殘余應(yīng)力對疲勞壽命的提高有積極意義，在使用過程中殘余應(yīng)力不斷衰減，要判定反應(yīng)管是否滿足繼續(xù)運行的要求，重新校核反應(yīng)管的剩余疲勞壽命尤為重要。圖6示出了平常運轉(zhuǎn)時反應(yīng)管在初始條件、現(xiàn)行條件及10年后3種情形下沿壁厚方向的當量應(yīng)力幅值。表1－3列出了反應(yīng)管初始疲勞強度、現(xiàn)行條件下的疲勞強度及10年后疲勞強度計算結(jié)果。

圖6 反應(yīng)管沿壁厚方向的當量應(yīng)力幅值變化曲線

表1 反應(yīng)管初始疲勞強度計算結(jié)果

表2 現(xiàn)行條件下疲勞強度計算結(jié)果

表3 10年后疲勞強度計算結(jié)果

圖6示出隨著服役時間的增加，反應(yīng)管沿壁厚方向的當量應(yīng)力幅值的變化規(guī)律類似殘余應(yīng)力衰減規(guī)律，呈V字形。由表1，2可以看出，殘余應(yīng)力衰減后在運行條件不變的情況下，內(nèi)壁應(yīng)力水平有提高，剩余疲勞壽命減少，但仍然滿足設(shè)計條件要求的疲勞壽命。按照平均腐蝕速率和殘余應(yīng)力平均衰減速度計算壁厚和剩余殘余應(yīng)力，核算10年后的疲勞強度，由表3可以確定，設(shè)備在現(xiàn)有的運行條件下可安全運行10年。

4 結(jié)語

自增強殘余應(yīng)力的衰減是多種因素的共同作用，研究殘余應(yīng)力的衰減對設(shè)備的安全運行有重要的意義。超高壓反應(yīng)管的剩余殘余應(yīng)力的測試結(jié)果表明，內(nèi)壁殘余應(yīng)力在使用過程中衰減幅度比較大，殘余應(yīng)力衰減曲線和當量應(yīng)力幅值沿壁厚方向成V字形態(tài)。相關(guān)研究指出［3，7－8］，自增強殘余應(yīng)力的衰減速率呈遞減趨勢，使用平均衰減速率評定管道的安全性是偏保守的。

超高壓反應(yīng)管經(jīng)過17年的運行，殘余應(yīng)力衰減了18.0%，但反應(yīng)管的剩余疲勞壽命仍可保證設(shè)備安全運行，在現(xiàn)行條件下，設(shè)備可安全運行10年。

殘余壓應(yīng)力可大大提高反應(yīng)管內(nèi)壁疲勞性能，對內(nèi)壁裂紋的萌生及擴展有很好的抑制作用，但自增強產(chǎn)生的外壁殘余拉應(yīng)力對外壁裂紋的擴展有促進作用。大量的學者對外壁帶缺陷的自增強反應(yīng)管的疲勞壽命研究表明，外壁裂紋在內(nèi)壓和自增強雙重作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用下迅速擴展，疲勞壽命大大降低，王志群［9］等給出了“不同自增強厚壁筒的外表面臨界裂紋深度和疲勞壽命”的計算公式。因此在設(shè)備運行過程中僅僅關(guān)注內(nèi)壁裂紋還遠遠不夠，對外壁裂紋的監(jiān)控預(yù)防是保證設(shè)備安全運行的必不可少條件之一。

［1］潘秉智.在役自增強反應(yīng)管殘余應(yīng)力松弛規(guī)律試驗研究［J］.壓力容器，1994，11(5):43 －51.

［2］劉康林.超高壓聚乙烯管安全評定［J］.石油化工設(shè)備，2001，30(6):1 －4.

［3］柳增典，包行方，朱磊.自增強殘余應(yīng)力的衰減規(guī)律和若干在役反應(yīng)管安全性問題的分析［R］.合肥:合肥通用機械研究院，1991.

［4］柳增典，包行方，朱磊.超高壓聚乙烯管式反應(yīng)器安全性分析與評定［R］.合肥:合肥通用機械研究院，1991.

［5］黃小平.自增強厚壁管內(nèi)壁殘余應(yīng)力無損測量方法研究［J］.石油機械，2002，30(7):41 －44.

［6］劉康林.高壓聚乙烯反應(yīng)管自增強殘余應(yīng)力的無損檢測［J］.中國機械工程，2001，12(9):983 －985.

［7］吳旭.自增強殘余應(yīng)力衰減規(guī)律的試驗研究［J］.壓力容器，1988，5(5):2 －6.

［8］邵國華.超高壓容器［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2002.

［9］王志群，查子初.不同自增強厚壁筒的外表面臨界裂紋深度的疲勞壽命［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1989，10(2):2－7.