CN104318010B - 一种膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法，其包括（1）建立膜式水冷壁管的有限元模型，得到缺陷的形貌、缺陷的深度与管子的局部等效应力水平关系表单；（2）对待判定膜式水冷壁管的内壁的腐蚀程度进行无损检测，获得腐蚀形貌和腐蚀深度；（3）参照步骤（1）所得关系表单，找到所检测的腐蚀形貌和腐蚀深度对应的局部等效应力；（4）将步骤（3）所得局部等效应力与膜式水冷壁管在400℃时的屈服强度进行比较，取安全系数为1.5，当所得局部等效应力σ大于等于膜式水冷壁管在400℃时的屈服极限σ_s/1.5倍时，判定该膜式水冷壁管处于临界失效状态。该方法现场实施较为简单，无需特殊的设备，可大量节约水冷壁管更换数量，且保证机组安全运行。

Description

一种膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法

技术领域

本发明涉及一种判断管道是否失效的判定方法，具体涉及膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法。

背景技术

高温高压作用下，由碳钢及低合金耐热钢制造的膜式水冷壁管内壁，对锅炉给水中残余的杂质变得更加敏感，如果给水中杂质离子含量超过允许浓度，更会加速锅炉的腐蚀，引起水冷壁炉管汽水侧腐蚀减薄，且炉管内壁因存在凸起的螺纹，在螺纹边缘凹陷位置极易形成离子聚集和应力集中现象，更会因此产生应力腐蚀作用，造成管子局部强度减弱，严重时引起失效导致爆管，因此需进行管道更换。

现场通常采用的方法是在机组大修期间对水冷壁管进行无损检验，发现存在内壁腐蚀减薄后，对发现壁厚减薄的水冷壁位置进行全范围更换。采用该种方案，造成大量仍可安全服役管道被割除，形成资源浪费，并在更换过程形成多道新焊口，并带来新的焊接安全风险。

膜式水冷壁管内壁存在凸起螺纹，导致内壁结构存在不均匀性，壁厚存在差异。服役状态下等效应力分布不均。而管内壁发生腐蚀过程中，由于腐蚀类型，腐蚀部位存在不同，因而内壁腐蚀引起的局部材料减薄对管道强度的影响存在差异，管道失效临界状态不能简单通过壁厚是否发生减薄予以判断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法。

为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法，其包括如下步骤：

(1)建立膜式水冷壁管的有限元模型，在所建模型的管子上设具有不同形貌和不同深度的不同缺陷，计算得到具有不同缺陷的管子其各部位的局部等效应力，然后将不同缺陷和计算所得各部位的局部等效应力中的最大等效应力对应列表，形成缺陷的形貌、缺陷的深度与管子的局部等效应力水平关系表单；

(2)对待判定膜式水冷壁管的内壁的腐蚀程度进行无损检测，获得腐蚀形貌和腐蚀深度；

(3)参照步骤(1)所得关系表单，找到步骤(2)所检测的腐蚀形貌和腐蚀深度对应的局部等效应力；

(4)将步骤(3)所得局部等效应力与所述膜式水冷壁管在400℃时的屈服强度进行比较，取安全系数为1.5，当所得局部等效应力σ大于等于所述膜式水冷壁管在400℃时的屈服极限σ_s/1.5倍时，判定该膜式水冷壁管处于临界失效状态。

进一步地，步骤(1)中，所建模型的管子的尺寸按照待判定膜式水冷壁管的规格尺寸来建立，所建模型的管子的内螺纹形式按照标准GB/T 20409-2006中的A型建立，内壁工况压力和温度条件按照机组实际满负荷工况条件选取。

进一步地，步骤(1)中，建立模型时，整个所建模型的管子采用规则形状的映射网格划分。

进一步地，步骤(1)中，在整个所建模型的管子的中部建立所述缺陷，缺陷区域采用映射网格或自由网格划分，网格细化单元大小为1-2mm。

进一步地，步骤(1)中，所建立的缺陷的形貌包括圆柱形、球冠形和矩形，其中柱形与球冠形模型对应的缺陷表面形貌均近似圆形(椭圆形)，而矩形模型对应的缺陷表面形貌近似方形。同时，相较于圆柱形模型对应的缺陷，球冠形模型对应的缺陷内部形貌，沿深度方向向内横截面直径逐步缩小。

进一步地，根据步骤(2)所检测腐蚀形貌的特点将其对应简化为所述圆柱形、球冠形或矩形缺陷。具体地，对于点状腐蚀形貌(表面为圆形且沿深度方向向内的横截面直径≥表面直径)，将其简化为圆柱形缺陷；对于表面为方形的坑状腐蚀形貌，将其简化为矩形缺陷；对于表面为圆形(椭圆形)，且沿深度方向向内的横截面直径＜表面直径的坑状腐蚀形貌，将其简化为球冠形缺陷。

进一步地，计算时，管子的一个端面施加三个方向位移约束，另一端部施加两个方向位移约束且轴向不施加约束，设置工况压力和温度条件后，进行非线性弹塑性计算，计算时忽略鳍片结构，忽略蠕变现象，不考虑管子热应力、弯矩、焊接接头的附加应力。

根据一个具体方面，步骤(4)中，当所得局部等效应力大于等于所述膜式水冷壁管在400℃时的屈服强度时，判定该膜式水冷壁管处于临界失效状态。

本发明采取的又一技术方案是：一种膜式水冷壁管内壁腐蚀减薄后的处理方法，该方法包括：

(1)采取上述的膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法判定该膜式水冷壁管内壁是否处于临界失效状态；

(2)对判定处于临界失效状态的管道部位进行更换。

进一步地，对没有达到临界失效状态的管道部位不进行更换。

由于上述技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明通过对膜式水冷壁管不同类型内壁腐蚀深度与等效应力状态的关系进行研究，得出管道是否受内壁腐蚀深度影响，处于局部失效临界状态，结合水冷壁内部损伤程度无损检验结果，判定该区域是否需要进行管道更换，该方法现场实施较为简单，无需特殊的设备，可大量节约水冷壁管更换数量，且保证机组安全运行。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明：

图1为膜式水冷壁管内壁腐蚀形貌示意图；

图2为有限元模型建立的管子的示意图；

图3为实例1膜式水冷壁管内壁腐蚀典型形貌特征；

图4为对无缺陷水冷壁管进行模型建立后所得一个等效应力分析图；

图5-7分别为建立圆柱形、球冠形和矩形缺陷后所得等效应力分析图。

具体实施方式

本发明主要用于解决300MW火电机组膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界(等效应力等于安全校核强度)判定的问题，采用常规的方法，对内壁发生腐蚀的膜式水冷壁管无法评估管道是否处于失效临界状态，而需对存在内壁腐蚀的位置进行全范围管道更换，造成大量仍可安全服役管道被割除，形成资源浪费，并在更换过程形成多道新焊口，带来新的安全风险。采用本发明，可形成系统的判别水冷壁管内壁腐蚀程度的方法，从而判定材料失效临界状态，并根据检验结果，针对性处理管道更换。

如图1所示，火电机组膜式水冷壁管1内壁上具有内螺纹2。实际应用中发生腐蚀的形貌主要为点状形貌3和坑状形貌，坑状形貌又有圆形(椭圆形)坑4和矩形坑5。本发明的方法可以针对具体的腐蚀情况判断该腐蚀所在的位置的管道是否需要更换。

本发明方法包括以下步骤：

(1)建立有限元模型

获取相应水冷壁管规格尺寸，内螺纹形式按照标准GB/T20409-2006中的A型建立。内壁工况压力、温度条件设置按机组实际满负荷工况条件选取。

建立的不含缺陷有限元模型。整个管子模型采用规则形状的映射网格划分，如图2所示。

计算时，一端面施加三个方向位移约束，另一端面施加两个方向位移约束(轴向不施加约束)，设置工况压力、温度条件后，进行非线性弹塑性计算。

腐蚀情况建立模型时，腐蚀坑建立在整个管子的中部，腐蚀区域采用映射网格或自由网格划分，网格细化(单元大小约1-2mm)。

计算时忽略鳍片结构，忽略蠕变现象，不考虑管子热应力、弯矩、焊接接头等的附加应力。

(2)评估腐蚀深度与局部等效应力水平关系

通过将点状腐蚀形貌简化为圆柱形缺陷，坑状缺陷简化为球冠形或矩形缺陷，分析不同形状腐蚀坑、不同腐蚀深度后管子的各部位等效应力状态。

腐蚀区域所对应外壁上的等效应力达到或接近材料安全校核强度(需考虑机组服役运行对材料性能退化影响)时，则判定管子达到该形貌下失效临界腐蚀深度。

通过模型计算结果，形成各腐蚀形貌下腐蚀深度与局部等效应力水平关系表单，用于后续检验判定使用。

(3)水冷壁管剩余壁厚无损检测

采用专用无损检测设备，对水冷壁管进行内壁腐蚀程度检验，通过检验结果判定腐蚀形貌状态，及该对应形貌部位下腐蚀深度(剩余壁厚)。参照腐蚀深度与局部等效应力水平关系表单，判定该部位管道是否需要更换。

(4)更换低于失效临界强度水冷壁管道

采用常规水冷壁管更换方法，对判定失效部位管道进行逐步更换。

以下结合具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图3所示，其显示某电厂膜式水冷壁(材料为20G，规格45×4.7工况压力19.5MPa，温度400℃)内壁腐蚀典型形貌特征。在管壁及凸起螺纹处存在多处点状腐蚀和坑状腐蚀。

采取本发明方法建立有限元模型，参见图4，其为对无缺陷水冷壁管进行模型建立后，等效应力分析研究结果，计算时，一端面施加三个方向位移约束，另一端面施加两个方向位移约束(轴向不施加约束)，内壁施加20MPa压力，整个管道施加400℃温度，进行非线性弹塑性计算。由云图数据可以判断，受壁厚及结构状态影响，可判定：水冷壁管受腐蚀影响危险部位为管壁处，凸起螺纹处失效几率较小，实际工程应用中可不考虑该区域失效。参见图5至7，分别为建立圆柱形缺陷、球冠形缺陷和矩形缺陷模型后，研究水冷壁管壁腐蚀缺陷状态下管子等效强度分布。通过设定不同的缺陷深度，可以计算得到相应的管子上各部位的等效应力，将缺陷深度、缺陷形貌和最大等效应力对应列表形成缺陷的形貌、缺陷的深度与管子的局部等效应力水平关系表单。

参见表1，其为某规格膜式水冷壁管针对不同缺陷深度、不同缺陷形貌(圆柱形、球冠形和矩形腐蚀缺陷)的腐蚀区域外壁等效应力分布结果计算示例。

表1缺陷的形貌、缺陷的深度与管子的局部等效应力水平关系表

由最大等效应力结果与该材料在服役温度下的屈服强度进行对比，可判定不同腐蚀类型下临界失效状态下的腐蚀深度值。

根据模拟结果，采用专用NDT设备，对水冷壁管进行内壁腐蚀深度测试，对照临界失效状态腐蚀深度值，判定该区域管道是否需要进行割管更换，保障机组安全运行。

例如，针对某一具体管道，经NDT检测发现其上有大小8×8mm、深度2.35mm的矩形坑状腐蚀，则参照上表，该种腐蚀缺陷对应的最大等效应力为92.0MPa，该值小于该材料在400℃时的屈服强度的σ_s/1.5倍(安全系数)即131MPa，因此，判定该管道的该腐蚀缺陷所在部位没有发生腐蚀失效，无需更换。

例如，针对某一具体管道，经NDT检测发现其上有大小8×8mm、深度2.82mm的矩形坑状腐蚀，则参照上表，该种腐蚀缺陷对应的最大等效应力为156.8MPa，超过该材料在400℃时的屈服强度σ_s/1.5倍(安全系数)即131MPa，因此，判定该管道的该腐蚀缺陷所在部位发生腐蚀失效，需要更换。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）建立膜式水冷壁管的有限元模型，在所建模型的管子上设具有不同形貌和不同深度的不同缺陷，计算得到具有不同缺陷的管子其各部位的局部等效应力，然后将不同缺陷和计算所得各部位的局部等效应力中的最大等效应力对应列表，形成缺陷的形貌、缺陷的深度与管子的局部等效应力水平关系表单；

所建立的缺陷的形貌包括圆柱形、球冠形和矩形；

计算时，管子的一个端面施加三个方向位移约束，另一端部施加两个方向位移约束且轴向不施加约束，设置工况压力和温度条件后，进行非线性弹塑性计算，计算时忽略鳍片结构，忽略蠕变现象，不考虑管子热应力、弯矩、焊接接头的附加应力；

（2）对待判定膜式水冷壁管的内壁的腐蚀程度进行无损检测，根据所检测腐蚀形貌的特点将其对应简化为所述圆柱形、球冠形或矩形缺陷，获得腐蚀形貌和腐蚀深度；

所述简化具体为：对于点状腐蚀形貌，即表面为圆形且沿深度方向向内的横截面直径≥表面直径，将其简化为圆柱形缺陷；对于表面为方形的坑状腐蚀形貌，将其简化为矩形缺陷；对于表面为圆形或椭圆形，且沿深度方向向内的横截面直径＜表面直径的坑状腐蚀形貌，将其简化为球冠形缺陷；

（3）参照步骤（1）所得关系表单，找到步骤（2）所检测的腐蚀形貌和腐蚀深度对应的局部等效应力；

（4）将步骤（3）所得局部等效应力与所述膜式水冷壁管在400℃时的屈服强度进行比较，取安全系数为1.5，当所得局部等效应力σ大于等于所述膜式水冷壁管在400℃时的屈服极限σ_s/1.5倍时，判定该膜式水冷壁管处于临界失效状态。

2.根据权利要求1所述的膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法，其特征在于：步骤（1）中，所建模型的管子的尺寸按照待判定膜式水冷壁管的规格尺寸来建立，所建模型的管子的内螺纹形式按照标准GB/T 20409-2006中的A型建立，内壁工况压力和温度条件按照机组实际满负荷工况条件选取。

3.根据权利要求1所述的膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法，其特征在于：步骤（1）中，建立模型时，整个所建模型的管子采用规则形状的映射网格划分。

4.根据权利要求1所述的膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法，其特征在于：步骤（1）中，在整个所建模型的管子的中部建立所述缺陷，缺陷区域采用映射网格或自由网格划分，网格细化单元大小为1-2mm。

5.根据权利要求1所述的膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法，其特征在于：步骤（4）中，当所得局部等效应力大于等于所述膜式水冷壁管在400℃时的屈服强度时，判定该膜式水冷壁管处于临界失效状态。

6.一种膜式水冷壁管内壁腐蚀减薄后的处理方法，其特征在于该方法包括：

（1）采取如权利要求1至5所示的膜式水冷壁管内壁腐蚀失效临界判定方法判定该膜式水冷壁管内壁是否处于临界失效状态；

（2）对判定处于临界失效状态的管道部位进行更换。

7.根据权利要求6所述的膜式水冷壁管内壁腐蚀减薄后的处理方法，其特征在于，对没有达到临界失效状态的管道部位不进行更换。