李政梟

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1 引言

一般來(lái)說(shuō)鍋爐管道的最危險(xiǎn)點(diǎn)集中在鍋爐管道的彎頭，因此彎頭也決定了鍋爐管道的壽命。在可容忍可靠度下主蒸汽鍋爐管道的壽命可靠度受到其可靠壽命力的大小的影響，如圖1所示。對(duì)于計(jì)算主蒸汽鍋爐管道材料持久強(qiáng)度的傳統(tǒng)等溫線外推法，安全系數(shù)的微小的變化會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行壽命預(yù)測(cè)的變化，所以選取安全系數(shù)至關(guān)重要。但是由于運(yùn)行的環(huán)境不同，對(duì)于安全系數(shù)和鍋爐管道壽命的的預(yù)估無(wú)法統(tǒng)一，因此需要深入分析研究。

圖1 最大應(yīng)力圖

圖2 安全系數(shù)分布

由圖2可以看出當(dāng)使用壽命小于10萬(wàn)時(shí)，可靠度R大于0.99；當(dāng)使用壽命大于10萬(wàn)并逐漸增加，可靠度R在0.99之下迅速下降，可以從其變化程度來(lái)分析安全系數(shù)n的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)繼續(xù)運(yùn)行在8萬(wàn)小時(shí)之內(nèi)，無(wú)論n取任何值，其可靠度都是大于0.99，此時(shí)其安全的運(yùn)行的可靠度處于非常高的狀態(tài)。而當(dāng)時(shí)間大于1萬(wàn)小時(shí)，那么n為1.7時(shí)可靠度是0.9999，n為1.71時(shí)可靠度為0.9870，n為1.72時(shí)可靠度僅為0.91，此時(shí)的可靠性已經(jīng)處于非常低的水平，應(yīng)用可靠度的評(píng)價(jià)方法比傳統(tǒng)等溫線外推法有更加良好的穩(wěn)定性，因?yàn)樵谄浒踩禂?shù)的選則上更加不受限制。

2 應(yīng)力的分散特性對(duì)鍋爐壽命可靠度的影響

應(yīng)力的波動(dòng)性也會(huì)對(duì)主蒸汽鍋爐管道的壽命可靠性產(chǎn)生影響，圖3所示。假設(shè)應(yīng)力偏差小于或等于2.98，壽命10萬(wàn)小時(shí)的可靠度可達(dá)0.999；假設(shè)應(yīng)力偏差為3.98，壽命10萬(wàn)小時(shí)的可靠度下降為0.98；而當(dāng)應(yīng)力偏差為4.98時(shí)，壽命10萬(wàn)小時(shí)的可靠度下降到0.96。

由此可見(jiàn)，當(dāng)應(yīng)力偏差為2.98時(shí)的可靠度為最大值，當(dāng)應(yīng)力偏差為4.98時(shí)的可靠度則最低，這說(shuō)明了應(yīng)力偏差與可靠性的反向相關(guān)關(guān)系。通過(guò)比較可以得出，應(yīng)力的波動(dòng)特性對(duì)主蒸汽鍋爐管道壽命可靠度的影響比較大。當(dāng)應(yīng)力波動(dòng)性較小時(shí)，同一壽命下的可靠度就較高。

圖3 應(yīng)力偏差分布

圖4 壽命可靠度評(píng)估結(jié)果

3 主蒸汽壓力對(duì)于壽命的可靠度影響的分析

首先假設(shè)壓力均值為9.51MPa，并假設(shè)其它相關(guān)聯(lián)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布特性保持不變，那么我們分別選取±15%、±10%和±5%的壓力波動(dòng)范圍做鍋爐管道壽命的可靠性分析。計(jì)算如圖4所示，當(dāng)壓力波動(dòng)范圍ΔP處于±5%的數(shù)值內(nèi)，彎頭的壽命可達(dá)17萬(wàn)小時(shí)，當(dāng)壓力波動(dòng)范圍ΔP處于±10%時(shí)，彎頭的壽命下降為10萬(wàn)小時(shí)，當(dāng)壓力的波動(dòng)范圍ΔP達(dá)到±15%的范圍時(shí)，此時(shí)的彎頭的壽命已經(jīng)下降到了96729小時(shí)。

圖5代表了可靠度與壓力波動(dòng)范圍的反向相關(guān)關(guān)系，當(dāng)壓力的波動(dòng)范圍逐漸增加，鍋爐管道的壽命可靠度逐漸下降。因此，在波動(dòng)幅度不相同，但是時(shí)間均值相同，并且主蒸汽壓力一定的情況下，主蒸汽鍋爐管道的運(yùn)行壽命可靠度是不相同的。由此可以看到，保持主蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定性有利于主蒸汽鍋爐管道的可靠運(yùn)行。

圖5 彎頭105小時(shí)壽命可靠度隨壓力波動(dòng)范圍的變化關(guān)系

圖6 壽命可靠性計(jì)算結(jié)果

4 壁厚比的統(tǒng)計(jì)分布特性對(duì)壽命可靠度的影響

在設(shè)定壁厚比分散度的數(shù)值為7%，其它參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布特性不變的條件下，分別選取不同的直管和外弧壁厚做主蒸汽鍋爐管道彎頭的壽命可靠性預(yù)算。由圖6可以看出，壁厚比與彎頭的壽命的可靠度存在反向相關(guān)關(guān)系。假設(shè)可容忍可靠度為0.99，則壁厚比均值為24/26時(shí)彎頭壽命可靠度為99681小時(shí)，壁厚比均值為24.5/25.4時(shí)彎頭壽命可靠度為85864小時(shí)，壁厚比均值為25/25時(shí)彎頭壽命可靠度為70132小時(shí)。圖7所示為105小時(shí)壽命可靠度隨不圓度均值的變化關(guān)系。因此，為了保證鍋爐管道的可靠運(yùn)行，我們應(yīng)當(dāng)減小鍋爐管道彎頭加工過(guò)程中造成的壁厚不均。

圖7 105小時(shí)壽命可靠度隨不圓度均值的變化關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)應(yīng)力的隨機(jī)特性，以及不同安全系數(shù)條件下壓力偏差、不圓度及壁厚比等數(shù)據(jù)變化對(duì)壽命可靠度的影響進(jìn)行分析，從而對(duì)主蒸汽鍋爐管道的運(yùn)行壽命做出合理的判斷。

通過(guò)不同的安全系數(shù)條件下的壽命可靠度分析，應(yīng)力的分散特性對(duì)壽命可靠度的影響說(shuō)明了應(yīng)力偏差與可靠性的反向相關(guān)關(guān)系，得出應(yīng)力的波動(dòng)特性對(duì)主蒸汽鍋爐管道壽命可靠度的影響比較大。

通過(guò)對(duì)主蒸汽壓力對(duì)壽命可靠度影響的分析，得出可靠度與壓力波動(dòng)范圍的反向關(guān)系，當(dāng)壓力的波動(dòng)范圍逐漸增加鍋爐管道的壽命可靠度逐漸下降。通過(guò)對(duì)不圓度的統(tǒng)計(jì)分布特性對(duì)壽命可靠度的影響，得出隨著不圓度的增加鍋爐管道壽命可靠度減小。

通過(guò)壁厚比的統(tǒng)計(jì)分布特性對(duì)壽命可靠度的影響表明，壁厚比與彎頭的壽命的可靠度存在反向關(guān)系。因此為了保證鍋爐管道的可靠運(yùn)行我們應(yīng)當(dāng)減小鍋爐管道彎頭加工過(guò)程中造成的壁厚不均。

通過(guò)以上計(jì)算方法，再結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境當(dāng)中的其他變量和風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)計(jì)算得出構(gòu)件的可靠度，監(jiān)測(cè)鍋爐管道安全運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)于利用可靠度來(lái)管理構(gòu)件的安全運(yùn)行狀態(tài)，促進(jìn)安全生產(chǎn)是非常必要的。

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