CN101846242A - 一种应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，通过测试管道构建过程中形成的原始变形程度，判定管道的应力趋势和量化其应力水平；通过管道服役环境的最大温差区间，判定涉案管段的极限伸缩率ε；利用材料弹性模量E的线性规律，分别量化涉案管段承受的各类应力值和最大累计应力强度σ；通过最大累计应力强度σ和管道材料的允许使用强度〔σ〕的对比，判定涉案管段的安全与否，并最终提供可以度量的补强方案或应力补偿方案。本发明的有益效果是，使现场对管道断裂现象的分析、判定由传统的经验判断方式，转变为数据形式的定量分析判定方式，并提出了实用的解决方案。

Description

一种应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法

技术领域

本发明涉及一种工业管道断裂故障的量化分析、应对及预防方法，尤其涉及应对工业管道因温差导致的热应力引起反复断裂的方法。

背景技术

实践生产中，某些诸如炼铁高炉的系统回水干管运行时，经常发生原因不明的频繁断裂现象。现场维修人员随经多方努力，仍然无法控制断裂事件的不断出现。断裂故障的频繁高发且无预兆性，导致高炉的生产秩序受到严重干扰。为此对管道断裂的原因进行了科学的分析，在排除了承载时的环向、纵向应力和运行介质对管道施加的拉应力导致管道断裂的情形下，通过近四个月时间的现场跟踪观察，统计归纳了破断事件与高炉生产之间的关联因素及断裂事件的共性规律，最后得出看到管道频繁破断的主导因素是温差导致的热应力。但现有技术并没有对于这种工业管道断裂故障，给出系统的量化分析、判定技术程序。

发明内容

本发明针对上述技术问题，所要解决的是：为现场提供一种工业管道因温差因素导致的热应力反复断裂的应对方法。

为解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案，

一种应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、测试管道应力并判定应力方向；

  B、测算管道应力幅度；

  C、判定管道承载应力的能力；

  D、计算管道应力补偿，安装补偿器。

在上述步骤A测试管道应力并判定应力方向，包括如下步骤：

（1）. 在涉案的管段上，确定应力释放点，以释放点为中心，向管段两端各外延1~2M的距离做动点标记B_d，对应管道的动点标记，设置固定参照点标记B_j；

（2）. 在已设好标记的管段内，选取适当长度管道Bf，对管道进行切割、截断，并抽出切割段，使管道内业已存在的应力得到释放；

（3）. 对切割后的管道两动点进行长度测量，得到应力释放后的动点间距B_d值，利用测得的新B_d值，与对应的固定参照点距离B_j值进行比较；

（4）. 根据比较结果，确认管道的应力方向；

 若B_d值＜B_j值：管道承受膨胀压应力；

 若B_d值＞B_j值：管道承受收缩拉应力；

 若B_d值=B_j值：管道不存在应力载荷。

对于上述步骤B测算管道应力幅度时，包括如下步骤：

（1）. 根据动、定点长度差b的绝对值,求算涉案直管段的应变伸缩率ε，

ε=b/L=｜B_d－B_j｜/L； 

其中L为涉案直管段两固定支座间的距离，

（2）. 利用管道材料弹性模量(E=σ_s/ε)的线性关系式，计算该段管道在非载荷状态时的原始应力强度σ₁；

σ₁=E×ε

其中涉案管道材料的弹性模量E值，可由相关工程材料手册查得，

（3）. 以涉案的直管段长度L为基准，根据管道的系统温差区间T，利用该管道材料的线膨胀系数α值，计算直管段的最大胀、缩区间δL值：

δL=L×α×T   

 其中管道材料的线膨胀系数α值，可由相关工程材料手册查得，

（4）. 根据计算的最大胀、缩区间δL值，求算该直管段的温差应变延伸率ε_L；

                       ε_L =δL/L

（5）. 仍然利用管道材料的弹性模量E=σ_s/ε的关系式，计算管道运行状态下的温差应力值σ₂，此时，ε=ε_L值，     

σ₂=E×ε_L 

（6）.计算管道在非载荷状态下的总应力值σ₃；

                      σ₃=σ₁+σ₂ 

（7）. 根据管道运行压力P值，求算其运行拉应力σ_L值；

        σ_L=（P*D）/（4*S*φ）

  注：P—流体压强（kg/cm²）； D—管道内径（cm）；

 S—管道壁厚（cm）；φ—焊缝比强度系数，现场焊时，取0.75~0.8；

（8）. 计算此前对管道造成破坏的汇总应力σ_H值；

        σ_H=σ₃+σ_L 

(9). 计算管道原始应力得到释放后的系统剩余应力σ_x值；

        σ_x=σ_H－σ_1。

对于上述步骤C判定管道承载应力的能力时，包括下列步骤：

（1）. 比较系统剩余应力σ_x与涉案管道材料的安全许用应力〔σ〕；

     当σ_x＜〔σ〕，表明管道的应力水平，在材料的安全允许范围；导致管道断裂破坏的原因，应为管道的环焊缝未达到客观需求的焊接工艺质量。此情况下，应严格核对或修正焊接工艺技术规范，对相关环焊缝重新执行焊接工艺，

当σ_x≥〔σ〕；表明管道的应力水平，已经达到或超越材料的安全允许范围；此情况下，必须对该管段采取应力补偿措施，

其中对于相关材料的安全许用应力〔σ〕值，可在各种工程类材料手册中查取。其具体应用时，选取要领如下：

a.在手册中查出相关材料的抗拉强度σ_b值；屈服强度σ_s值；

b.取抗拉强度安全系数n_b=3；屈服强度安全系数n_s=1.6；

c.选取〔σ〕值：以下面括号中的较低值者为取用值；

〔σ〕=〔σ_b/n_b；σ_s/n_s〕_Min。

对于上述步骤D计算管道应力补偿及安装补偿器包括如下步骤：

（1）. 设定补偿器胀、缩距离：

根据计算的管道最大胀、缩区间δL=L×α×T，对补偿器设定预置胀、缩距离。其具体作业程序如下：

a.测量作业时段的管道环境温度t，以t为计算基点；

b.以运行时最高温度t_g；最低温度t_d；最大温差区间值T=t_g－t_d；为计算参数，分别计算：

管段膨胀预留量zL（1）：

zL=δL×(t_g－t)/T

管段收缩预留量sL②：

                 sL=δL×(t－t_d)/T   

（2）. 安装、连接补偿器

a.依据补偿器（6）的实际安装距离，以伸缩套法兰（3）内端面向外拉伸至少100mm后,做为补偿器的实际安装长度，确定管道的最终截取长度；

b.以法兰连接形式，完成管道与补偿器的外端连接；

c.根据计算的zL（1）、sL（2）预设值，在完成连接的管道及补偿器上，调整补偿器定距拉杆的（4）定位螺母，并以双螺母（5）紧固方式，完成最终定位。

 本发明的有益效果是，能科学、准确的判断分析工业管道因温差导致的热应力导致的多次反复的原因，使现场对管道断裂现象的分析、判定由传统的经验判断方式，转变为数据形式的定量分析判定方式，并提出了实用的解决方案。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明管道动点标记和静点参照标记设置示意图

   图2为本发明补偿器调整、定位示意图。

具体实施例：

   在武钢6＃～8＃高炉INBA系统管管道断裂修复中，应用了本发明涉及的技术方案。

如图1，在该涉案管道的频繁断裂区域，取两固定支座间跨度为35米的直管段中点，为应力释放点；以该点为中心标记，分别向两侧各延长1米，做为两点动点标记B_d，间隔为2米；在两动点标记垂直对应的地坪上，设置静点参照标记B_j。在动点标记区间内，选取适当长度的管段Bf，进行切断并抽出后，经测量得到了动点对静点向内位移的事实，其总量为7mm的向内延伸量（命名为ΔL₁）。据此可确认，此前该段管道在系统内无论荷载与否，始终在ΔL₁的作用下处于膨胀、受反压状态。根据该段管道为35000mm的总长度，其在无负载状态下的变形率为

ε₁=ΔL₁/L=7mm/35000mm=2×10^-4；

即对该段管道形成了万分之二的正延伸率。故此，该管道在无负荷状态时，已经承受了形变应力。

借助材料弹性模量E值（E=σ_s/ε）的线性特点，结合管道的时效延伸率ε₁，不难求算出该管道在没有承载任何负荷时的时效应力值σ₁；

σ₁=E×ε₁

   =2.1×10⁶kg/cm²×2×10^-4

=420kg/cm²

通过计算，求出了该段管道在无负荷状态下的常态应力值σ₁，比照运行中流体介质对管道施加的25kg/cm²纵向应力值，420kg/cm²时效应力值是其幅度的17倍，其破坏性能量已经消耗了管道材料1143kg/cm²许用强度的37%。

运行条件下的热应力σ₂计算：

由前面的运行温差简介，我们可选择该管道在一般运行条件下由20℃升至80℃的温度区间（T₂=60℃），分别求算其热膨胀延伸值ΔL₂、弹性变形率ε₂、热膨胀应力σ₂；

ΔL₂=L×α×T₂    （α—该管材的线膨胀系数13.5×10^-6）

=35000mm×13.5×10^-6×60℃=28mm；

在此温差作用下的弹性变形率ε₂为

ε₂=ΔL₂/L=28mm/35000mm=8×10^-4；

既有万分之八的温差延伸率。

管道在此温差区间内，所产生的热膨胀应力值σ₂为 

σ₂=E×ε₂

 =2.1×10⁶kg/cm²×8×10^-4

=1680kg/cm²；

管道承载总应力σ₃：

热应力σ₂叠加该管系的常态应力值σ_1，共同作用于管道；此时，该管道承载的总应力为

σ₃=σ₁+σ₂

=420kg/cm²+1680kg/cm²

=2100kg/cm²                                                                         

这一应力值，已经远高于管道材料1143kg/cm²的安全许用强度。此时，再对处于薄弱环节的焊缝进行补强已经没有意义；对该系统进行应力释放及应变补偿是唯一的可行方案。

 应力释放及应变补偿方案的技术实施，包括

根据管道运行的极限温差为T₁=80℃的温度变动区间，其最大纵向延伸距离ΔL应为：

ΔL=L×α×T₁=35000mm×13.5×10^-6×80=38mm

考虑到设置补偿器的时间在五月上旬，现场环境温度在摄氏28℃左右，因此将38mm的伸缩区间依据温度比例，分割为两段定位区间；           

膨胀端zL1   38mm×（80—28）/80=25mm

收缩端sL2   38mm×28/80=13mm 

现场操作，如图2所示：

A. 依据补偿器6的安装距离，以伸缩套法兰3内端面向外拉伸100mm后,做为补偿器的安装长度，切割管道、抽取中间段；

B. 对管道两端头安装法兰。一端法兰施焊固定，一端套于管道待焊；

C. 加装补偿器6。先连接已施焊固定的法兰，再连接未施焊的法兰；对连接后的法兰最后完成施焊，管道恢复连接；

D. 以管道法兰和补偿器法兰的端面，分别为收缩端和膨胀端的定位基准面，经调整补偿器的定距螺杆4并测量确认后，以双螺母5背紧、完成最终定位。

该管道利用高炉定修机会，主动切断，释放其系统内的时效应力σ_1、并设置应力补偿元件后，其系统至今运行稳定，工况理想。

最后所应说明的是，以上具体实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、测试管道应力并判定应力方向；

  B、测算管道应力幅度；

  C、判定管道承载应力的能力；

  D、计算管道应力补偿，安装补偿器。

2.根据权利要求1所述的应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于，在步骤A测试管道应力并判定应力方向时，包括如下步骤：

（1）. 在涉案的管段上，确定应力释放点，以释放点为中心，向管段两端各外延1~2M的距离做动点标记B_d值，对应管道的动点标记，设置固定参照点标记B_j值；

（2）. 在已设好标记的管段内，选取适当长度管道Bf，对管道进行切割、截断，并抽出切割段；

（3）. 对切割后的管道两动点进行长度测量，得到应力释放后的动点间距B_d值，利用测得的新B_d值，与对应的固定参照点距离B_j值进行比较；

（4）. 根据比较结果，确认管道的应力方向。

3.根据权利要求1所述的应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于，在步骤B测算管道应力幅度时，包括如下步骤：

（1）. 根据动、定点长度差b的绝对值,求算涉案直管段的应变伸缩率ε，

ε=b/L=｜B_d－B_j｜/L

其中L为涉案直管段两固定支座间的距离；

（2）. 利用管道材料弹性模量的线性关系式，计算该段管道在非载荷状态时的原始应力强度σ₁，

σ₁=E×ε

其中涉案管道材料的弹性模量E值，可由相关工程材料手册查得，

（3）. 以涉案的直管段长度L为基准，根据管道的系统温差区间T，利用该管道材料的线膨胀系数α值，计算直管段的最大胀、缩区间δL值：

δL=L×α×T   

   其中管道材料的线膨胀系数α值，可由相关工程材料手册查得，

（4）. 根据计算的最大胀、缩区间δL值，求算该直管段的温差应变延伸率ε_L；

                       ε_L =δL/L

（5）. 仍然利用管道材料的弹性模量E=σ_s/ε的关系式，计算管道运行状态下的温差应力值σ₂，此时，ε=ε_L值，     

σ₂=E×ε_L 

（6）.计算管道在非载荷状态下的总应力值σ₃；

                      σ₃=σ₁+σ₂ 

（7）. 根据管道运行压力P值，求算其运行拉应力σ_L值；

        σ_L=（P*D）/（4*S*φ）

 其中：P—流体压强（kg/cm²）， D—管道内径（cm）,

 S—管道壁厚（cm），φ—焊缝比强度系数，取0.75~0.8；

（8）. 计算此前对管道造成破坏的汇总应力σ_H值；

        σ_H=σ₃+σ_L 

(9). 计算管道原始应力得到释放后的系统剩余应力σ_x值；

        σ_x=σ_H－σ_1。

4.根据权利要求1所述的应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于，在步骤C判定管道承载应力的能力时，包括如下步骤：

（1）. 比较系统剩余应力σ_x与涉案管道材料的安全许用应力〔σ〕；

 当σ_x＜〔σ〕，表明管道的应力水平，在材料的安全允许范围；

当σ_x≥〔σ〕，表明管道的应力水平，已经达到或超越材料的安全允许范围；此情况下，必须对该管段采取应力补偿措施，

其中对于相关材料的安全许用应力〔σ〕值，可在各种工程类材料手册中查取，选取要领如下：

a.在手册中查出相关材料的抗拉强度σ_b值，屈服强度σ_s值；

b.取抗拉强度安全系数n_b=3；屈服强度安全系数n_s=1.6；

c.选取〔σ〕值：以下面括号中的较低值者为取用值；

〔σ〕=〔σ_b/n_b；σ_s/n_s〕_Min。

5.根据权利要求1所述的防止工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于，在步骤D计算管道应力补偿及安装补偿器时，包括如下步骤：

（1）. 设定补偿器胀、缩距离：

根据计算的管道最大胀、缩区间δL=L×α×T，对补偿器⑥设定预置胀、缩距离，其具体作业程序如下：

a.测量作业时段的管道环境温度t，以t为计算基点；

b.以运行时最高温度t_g；最低温度t_d；最大温差区间值T=t_g－t_d；为计算参数，分别计算：

管段膨胀预留量zL（1）：

zL=δL×(t_g－t)/T

管段收缩预留量sL(2)：

                 sL=δL×(t－t_d)/T

（2）. 安装、连接补偿器（6）

a.依据补偿器（6）的实际安装距离，即以伸缩套法兰（3）内端面向外拉伸至少100mm后,做为补偿器（6）的实际安装长度，确定管道的最终截取长度；

b.以法兰连接形式，完成管道与补偿器（6）的外端连接；

c.根据计算的zL（1）、sL(2)预设值，在完成连接的管道及补偿器（6）上，调整补偿器定距拉杆（4）的定位螺母，并以双螺母（5）紧固方式，完成最终定位。

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