考虑初始椭圆度的主蒸汽内压弯管蠕变寿命评估

　　弯头是管道中的薄弱环节,因为管道的最大应力一般发生在弯头处。目前,对弯头的受力分析大都近似将其看作是受内压的压力容器来考虑,没有考虑到弯头椭圆度的影响。有研究表明,初始椭圆度、残余应力、壁厚减薄等因素对管道弯头使用寿命影响较大,其失效机理主要是管道在截面圆周方向上的蠕变变形导致的蠕变失效。

　　对管道弯头蠕变寿命的评估一般都借助于有限元计算,但材料的非线性、几何非线性以及有限元软件的操作功能的限制导致这样的评估较复杂,因此寻求一种简单易用的管道弯头寿命评估方法显得尤为重要。对此,本文通过在ANSYS中对不同椭圆度和壁厚比的初始减薄度为10%的管道弯头建立蠕变连续损伤模型并进行有限元计算,得到的骨点应力计算公式可以方便地用于一般管道弯头的蠕变寿命评估。

　　1　弯管模型

　　1.1　结构模型的简化

　　主蒸汽管道弯头模型如图1所示,Rm为弯曲半径,θ为弯曲角度。一般情况下,在10°<θ<80°范围内,壁厚和椭圆度近似不变[1];对于θ=45°的截面,可以认为是沿旋转轴对称(图2);在只有内压载荷情况下,图2所示的2D轴对称模型的应力计算结果接近于使用图1所示的3D模型的计算结果[2]。

　　考虑到管道弯曲平面对称,可以取θ=45°平面的一半做为研究对象,简化后的模型网格划分如图3所示。使用平面结构单元PLANE42,设置单元属性为轴对称;使用2D模型代替3D模型,在不降低计算精度的情况下,可使计算时间大大缩短。

　　1.2　蠕变损伤模型

　　在预测部件蠕变寿命时使用连续损伤模型,该模型能够描述蠕变的3个阶段(减速、恒速、加速)[3],模型本构关系为:

　　式中:A、m、n、M、φ、χ、为材料常数;.εcij为蠕变应变速率;Sij为应力偏量;.ω为损伤速率;t为蠕变时间;ω为损伤变量;σr为参考应力,假设为最大主应力σ1和等效应力σeq的线性组合。α(0<α<1)为材料常数,描述多轴应力状态对损伤的影响程度。

　　模型材料为1/2Cr1/2Mo1/4V,根据文献[3],材料的性能参数如表1所示。

对式(2)在0~1范围内积分可得材料的蠕变寿命为:

　式中:σ为材料所受应力;tf为材料蠕变寿命;M、m、χ为材料常数。

　　2　有限元分析

　　在BS 5500中[4],采用平均直径处的环向应力σmdh做为管道的设计应力,根据文献[3],取σmdh=38.065 MPa:

　　式中:a,b分别为管道弯头θ=45°截面的椭圆的长轴和短轴。考虑到管道在加工过程中不可避免的会发生壁厚　减薄现象,一般要求管道弯头壁厚减薄在15%范围内,本文取10%。