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，緩解管道產生的約束力與振動[1]。在制作和安裝過程中,彎頭容易產生缺陷[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人員需要重點關注的部件之一。筆者利用有限元方法對彎頭常見的球形缺陷進行研究，結果可為相關人員提供參考。

1 有限元分析

1.1 計算模型

對超超臨界主蒸汽管道P92鋼彎頭進行應力模擬分析。該彎頭的規(guī)格為419 mm×103 mm(外徑×壁厚)，彎曲半徑為991 mm，外弧設計壁厚為108 mm，內弧設計壁厚為136 mm，為消除彎頭邊界效應的影響，給彎頭兩端增加長度為700 mm的直段[5]。

在內壓載荷的作用下，90°彎頭中球形缺陷的尺寸對其最大應力的影響并不明顯[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)場工況下的設計壓力為27.49 MPa，已知在電站運行工況下的設計溫度為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、邊界條件及網格劃分

因為彎頭為對稱結構，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

彎頭在內壓作用下，內弧側區(qū)域的應力較為集中[8]，故在彎頭內弧側的網格密度相較于外弧側更加稠密，且位于彎頭缺陷區(qū)域的應力比其他部位更加集中，在彎頭缺陷位置附近的網格密度需大于其他部位[9]，含缺陷彎頭的網格劃分如圖3所示。模擬劃分的網格類型為C3D10。

圖3 含缺陷彎頭的網格劃分示意

2 結果與分析

2.1 不同位置缺陷的應力分析

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力分布如圖4所示。由圖4可知：當缺陷位于角度為0°(zx_0)的彎頭軸向截面時，隨著缺陷與內壁距離的增加，其最大等效應力呈下降趨勢，且當zx_0軸向截面的環(huán)向角度為0°(hx_0)時，距離內壁最近處的球形缺陷等效應力最大,為156 MPa；當缺陷位于角度為15°(zx_15)的彎頭軸向截面時，球形缺陷的最大等效應力隨著與內壁距離的增加而下降，當zx_15軸向截面的環(huán)向角度為0°(hx_0)時，距內壁最近處的缺陷等效應力最大,為163 MPa；當缺陷位于角度為30°(zx_30)的彎頭軸向截面時，缺陷的最大等效應力隨著與內壁距離的增加而下降，當zx_30軸向截面的環(huán)向角度為0°(hx_0)時，缺陷距內壁最近處的應力最大,為165.6 MPa；當缺陷位于角度為45°(zx_45)的彎頭軸向截面時，缺陷的最大等效應力隨著與內壁距離的增加而下降;當zx_45軸向截面的環(huán)向角度為0°(hx_0)時，與內壁最近處的缺陷等效應力最大,為160 MPa。

在zx_0軸向截面中，與彎頭內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力基本相同；而在zx_15，zx_30，zx_45軸向截面中，與彎頭內壁距離相同的球形缺陷在hx_0的環(huán)向位置等效應力最大，位于hx_15環(huán)向位置的缺陷最大等效應力次之，hx_90，hx_135，hx_180環(huán)向位置球形缺陷的最大等效應力最小,且基本一致。

2.2 球形缺陷最大應力預測模型的建立

由上述分析可知，球形缺陷位于zx_15，zx_30，zx_45軸向截面，缺陷的最大等效應力隨著環(huán)向位置和缺陷與內壁距離的變化基本一致，且符合一定的函數關系，因此取zx_45軸向截面對其球形缺陷的最大等效應力進行擬合(見圖5)，球形缺陷與彎頭內壁的距離和其最大等效應力符合函數關系式(1)。

圖4 不同軸向截面位置彎頭球形缺陷(8 mm)的最大等效應力分布

圖5 45°軸向截面缺陷隨環(huán)向位置變化的最大應力分布

(1)

式中:x為缺陷中心與彎頭內壁的距離；y為球形缺陷的最大等效應力；A，B，C分別為球形缺陷位于同一個環(huán)向位置時的常量。

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力σmax如式(5)所示。

(5)

3 結論

(1) 經過模擬分析發(fā)現(xiàn):缺陷在彎頭內弧側近內壁側的應力最集中，隨著缺陷與彎頭內壁距離的增加，球形缺陷的最大等效應力逐漸下降。

(2) 球形缺陷在0°軸向截面時，在不同環(huán)向位置的缺陷最大等效應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，隨著環(huán)向位置、缺陷與內壁距離的變化，最大等效應力的變化趨勢基本一致。

(3) 根據球形缺陷最大等效應力隨環(huán)向位置與壁厚的變化，對缺陷最大等效應力進行擬合，建立了球形缺陷在彎頭15°～85°軸向截面的最大應力預測方程。