CN109255139B - 一种高温管道中表面多裂纹合并方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温管道中含表面多裂纹干涉程度分析和合并方法，本发明提出高温下多裂纹干涉程度取决于裂纹深度和相邻裂纹之间的距离，采用有限元计算的方法获得干涉程度计算公式的参数。在实际管道评估中根据服役温度下多裂纹干涉程度计算公式，评估多裂纹干涉程度，并根据干涉程度进行多裂纹复合。本发明的有益效果是：提出了高温管道含表面裂纹的多裂纹干涉程度计算公式、裂纹合并方法，本方法完善了现有评估标准的不足，可以提高预测的精度。

Description

一种高温管道中表面多裂纹合并方法

技术领域

本发明涉及含裂纹高温管道寿命评估技术领域，具体涉及含多裂纹高温管道中多裂纹干涉程度分析和复合方法，提高剩余寿命预测和可靠性评估的精度，用于高温管道运行维护和管理。

背景技术

高温环境下服役的蒸汽管道，在生产和服役的过程中难免会产生各种缺陷或裂纹。蠕变裂纹的萌生和扩展是含缺陷高温构件的一个主要失效机制，并导致其在设计寿命之前失效。而对于含裂纹部件不能简单判断为不安全和不可靠。通常基于合乎使用原则，按照断裂力学的理论，进行严格的理论分析对存在的裂纹做出科学的评定，以判断裂纹是否危害部件安全可靠性，以及对裂纹的发展、后果等做出判断，并判断含裂纹的高温承压设备在规定的使用工况下可不可以继续安全使用。若裂纹的存在不会对安全生产构成威胁，则可以被允许存在；若裂纹的存在暂时不会对安全生产构成威胁，但进一步发展可能会有潜在威胁，则可以被允许在监控下使用；若裂纹降低使用要求后不会构成威胁，则考虑降低要求使用；已经对安全生产构成威胁的裂纹，必须采取措施，返修或者停止使用。合乎使用原则不仅保障了高温焊接结构的安全性，还考虑到经济性，能够获得非常可观的经济效益。目前通用的含裂纹高温部件评定程序和标准，如美国的ASME/API RP 579,法国的RCC-MR(Appendix 16)、英国的R5和BS 7910、我国的GB/T 19624-2004等标准和规范都是基于此原则。

高温部件中发现的裂纹通常都不是独立存在的，往往是两个或多个裂纹(Multiple cracks)共存。在实际工程结构中，多个共面裂纹最较为常见；而非共面裂纹也通常规则化为共面裂纹进行考虑。但现行含裂纹高温结构的评估标准和方法，对多个缺陷的处理方法比较保守。一方面现行方法大多通过弹塑性分析建立的；另一方面，只是根据多裂纹间的几何关系简单判定是否复合的判定，即当多裂纹的距离关系满足一定条件时进行复合，没有考虑裂纹深度等影响，会导致不必要的维修和更换。

发明内容

本发明目的旨在改进现有含裂纹高温管道寿命预测和评估技术中表面多裂纹处理方法，降低预测的保守性，有助于高效、安全、合理的实现含缺陷高温管道的可靠性评估。

本发明所提出的高温管道表面多裂纹的干涉效应和复合方法包括以下步骤：

(1)、高温管道表面多裂纹干涉效应计算方法，适用温度范围是超过材料0.4T_m且小于T_m，其中T_m是材料的熔点，单位K，选取公式模型为：

其中，M_creep代表蠕变下多裂纹的干涉程度，决定高温管道中多裂纹是否需要复合；a_合并前为裂纹原始深度，即相邻两个裂纹深度值较大的一个，c_合并前为裂纹原始半长，即邻两个裂纹半长值较大的一个，t是管道厚度，s是两个相邻裂纹的距离，其中a_合并前、c_合并前、t、s的单位均为mm。

式中，A₁，A₂，A₃，A₄为4个待定无量纲参数。

参数的确定方法来源于数据拟合得出的经验公式，数据由有限元模拟得到，包括以下步骤：

S1：建立平板有限元模型，在平板中插入预制表面椭圆形裂纹，如图1所示，裂纹半宽为c；裂纹最深处的深度为a，裂纹深度a＝0.6c；平板长度L为20c，宽度W为10c，平板厚度t＝5a，裂纹尖端最小单元尺寸选为a/50mm。在平板不含裂纹的自由端施加任意恒定应力，计算裂纹前沿表面点(两个裂纹前沿表面点的位置如图1所示)处的断裂参量C*分布，记为

(当材料处于稳态蠕变情况时，蠕变裂尖断裂参量可用C*积分表示，C*的计算公式如下：

参见文献：(Yun-Jae Kim,Jin-Su Kim,Nam-Su Huh,Young-Jin Kim.EngineeringC-integral estimates for generalised creep behavior and finite elementvalidation.International Journal of Pressure Vessels and Piping,2002,79:427-443).

S2：建立平板有限元模型，在平板中插入两个等大预制表面椭圆裂纹，如图2所示。两个裂纹尺寸相同，裂纹半宽均为c；裂纹最深处的深度均为a，裂纹深度a＝0.6c；平板长度L为20c，宽度W为10c，平板厚度t＝5a，裂纹尖端最小单元尺寸选为a/50mm。两个裂纹的距离s分别选为0.5c，1c，2c和3c。在平板不含裂纹的自由端施加任意恒定应力，计算不同距离下两个裂纹靠近位置即表面点的断裂参量C^*分布，记为

两个裂纹靠近位置表面点如图2所示。

S3：改变平板的厚度t＝2.5a，1.67a，1.25a，重复步骤S1和S2，计算不同厚度下的单裂纹表面点的

以及双裂纹共存下裂纹表面点的

S4：高温蠕变条件下表面多裂纹干涉效应表征。利用蠕变干涉因子

表示多裂纹干涉程度。根据S1，S2和S3计算结果，计算不同情况下蠕变干涉因子。

S5：采用非线性数据拟合的方法(最小二乘数法)，获得蠕变多裂纹干涉程度计算公式的4个参量A₁，A₂，A₃，A₄。

(2)、高温管道表面缺陷的规则化，高温管道材料与步骤1中有限元模型所用材料形同。

依据高温管道无损检验的结果，确定缺陷或裂纹的尺寸和准确位置。考虑无损检验的精度，对探测尺寸到裂纹尺寸乘上一个安全系数。安全系数根据现行标准中对无损探伤要求进行。根据检测缺陷的长度和深度，把表面缺陷规则化为椭圆形表面缺陷，规则化时取缺陷最深位置的深度为规则化裂纹的深度，取裂纹最长处的长度为规则化裂纹的长度，a代表规则化裂纹的深度，c代表规则化裂纹的半长。如图3所示，对每个检测裂纹都按照上述步骤处理，分别标记为a_i，c_i，其中i代表裂纹的个数和次序，为1，2，3，4……。测量管道厚度t。

3、高温管道多裂纹复合程序。

S6：对于检测到多个裂纹，相邻的裂纹分别进行多裂纹干涉程度分析，分析时均采用裂纹原始尺寸。

a_合并前＝max(a₁,a₂)

c_合并前＝max(c₁,c₂)

其中a_合并前为裂纹原始深度，c_合并前为裂纹原始半长，a₁,a₂为相邻两个裂纹的半长，c₁,c₂为相邻两个裂纹的半宽。

代入

计算裂纹干涉程度。如果M_creep<2^0.5，则两个裂纹不需要合并，仍单独进行分析。

S7：若M_creep≥2^0.5，按照下面方法计算合并后裂纹尺寸：

a_合并后＝max(a₁,a₂)

2c_合并后＝2c₁+2c₂+s₁

其中a_合并后相邻两个裂纹合并后的深度，c_合并后为相邻两个裂纹合并后的半宽，s₁为相邻两个裂纹的间距。

S8：若存在两条以上裂纹，两两相邻的裂纹重复S6和S7步骤进行多裂纹干涉程度分析和裂纹复合。

优选的，所述适用温度范围是超过材料0.4T_m且小于0.8T_m。

优选的，所述安全系数为1.5。

优选的，所述无损检验通过超声探伤或磁粉探伤完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开了一种高温管道中含表面多裂纹干涉程度分析和合并方法，本发明提出高温下多裂纹干涉程度取决于裂纹深度和相邻裂纹之间的距离，采用有限元计算的方法获得干涉程度计算公式的参数。在实际管道评估中根据服役温度下多裂纹干涉程度计算公式，评估多裂纹干涉程度，并根据干涉程度进行多裂纹复合。本发明的有益效果是：提出了高温管道含表面裂纹的多裂纹干涉程度计算公式、裂纹合并方法，本方法完善了现有评估标准的不足，可以提高预测的精度。

附图说明

图1所示为本发明的含单裂纹平板的示意图。

图2所示为本发明的含等大表面双裂纹平板的示意图。

图3所示为本发明中表面缺陷规则化为椭圆形裂纹示意图。

图4所示为本发明中实施案例含多裂纹管道示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例进一步说明本发明的技术方案。

本发明的含多裂纹高温管道中多裂纹复合及重定义方法：

本实施例选取高等级耐热钢P92钢，使用温度为923K，管道规格是外径388mm，内径288mm，厚度t′为50mm，经无损检测发现三个表面裂纹，考虑安全系数后，尺寸分别为a₁′＝25mm，c₁′＝40mm，s₁′＝10mm，a₂′＝20mm，c₁′＝20mm，s₂′＝50mm，a₃′＝15mm，c₃′＝30mm，如图4所示。

(1)材料属性

弹性模量E(MPa)	泊松比	蠕变指数A(MPa<sup>-n</sup>/h)	蠕变硬化指数n
				125000	0.3	3.5085E-31	12.72

(2)P92钢多裂纹干涉效应公式计算。

S1：建立平板有限元模型，在平板中插入预制表面椭圆形裂纹，裂纹半宽为c′＝10mm；裂纹深度为a′＝0.6c′＝6mm；平板长度L′为20c′＝200mm，宽度W′为10c′＝100mm，平板厚度t′＝5a′＝30mm，裂纹尖端最小单元尺寸选为a′/50mm＝0.012mm。在平板不含裂纹的自由端施加应力70MPa，计算裂纹前沿的

分布，如表3所示。

S2：建立平板有限元模型，在平板中插入两个等大预制表面椭圆裂纹。裂纹半宽为c′＝10mm；裂纹深度为a′＝0.6c′＝6mm，；平板长度L′为20c′＝200mm，宽度W′为10c′＝100mm，平板厚度t′＝5a＝30mm，裂纹尖端最小单元尺寸选为a′/50mm＝0.012mm。两个裂纹的距离s′分别选为0.5c′＝5mm，1c′＝10mm，2c′＝20mm和3c′＝30mm。在平板不含裂纹的自由端施加应力70MPa，计算不同距离下两个裂纹靠近位置

分布，如表3所示。

S3：改变平板的厚度t′＝2.5a′＝15mm，1.67a′＝10mm，1.25a′＝7.5mm，重复步骤S1和S2，计算不同厚度下的单裂纹的裂纹表面点

以及双裂纹共存下裂纹表面点的

如表3所示。

S4：根据

计算不同情况下表面点蠕变多裂纹干涉因子，计算结果如表3所示。

表3多裂纹干涉因子计算条件及结果

S5：采用非线性拟合方式，依据计算结果，获得P92钢蠕变下多裂纹干涉效应计算公式如下：

(3)P92钢高温管道多裂纹复合

尺寸分别为a₁′＝25mm，c₁′＝40mm，s₁′＝10mm，a₂′＝20mm，c₂′＝20mm，s₂′＝60mm，a₃′＝15mm，c₃′＝30mm，如图所示

由于检测到三个裂纹，按顺序两两裂纹依次进行多裂纹干涉程度分析，

a_合并前′＝max(a₁′,a₂′)＝25mm

c_合并前′＝max(c₁′,c₂′)＝40mm

s₁′/c_合并前′＝0.25

根据公式计算M_creep′＝2.07>2^0.5，则两个裂纹需要合并，合并后裂纹尺寸为：

a_合并后1′＝max(a₁′,a₂′)＝25mm

2c_合并后1′＝2c₁′+2c₂′+s₁′＝80+40+10＝130mm

c_合并后1′＝65mm

第二个和第三个裂纹的多裂纹干涉效应分析

a_合并前′＝max(a₂′,a₃′)＝20mm

c_合并前′＝max(c₂′,c₃′)＝30mm

s₂′/c_合并前′＝50/30＝1.67

根据公式计算M_creep′＝1.29<2^0.5，则两个裂纹不需要合并

综上所检测三条裂纹，根据本方法分析后，按照两条裂纹分别进行后续的寿命和可靠性评估，两条裂纹尺寸为a_1新′＝25mm，c_1新′＝65mm，a_2新′＝15mm，c_2新′＝30mm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高温管道中表面多裂纹的复合方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、计算高温管道表面多裂纹干涉效应，适用温度范围为超过材料0.4T_m且小于T_m，其中T_m是材料的熔点，单位K，选取公式模型为：

其中，M_creep代表蠕变下多裂纹的干涉程度，决定高温管道中多裂纹是否需要复合；a_合并前为裂纹原始深度，即相邻两个裂纹深度值较大的一个，c_合并前为裂纹原始半长，即邻两个裂纹半长值较大的一个，δ是管道厚度，s是两个相邻裂纹的距离，其中a_合并前、c_合并前、δ、s的单位均为mm，A₁，A₂，A₃，A₄为4个待定无量纲参数；

参数的确定方法来源于数据拟合得出的经验公式，数据由有限元模拟得到，包括以下步骤：

S1：建立平板有限元模型，在平板中插入预制表面椭圆形裂纹，裂纹半长为c；裂纹深度为a，裂纹深度a＝0.6c；平板长度L为20c，宽度W为10c，平板厚度t＝5a，裂纹尖端最小单元尺寸选为a/50mm，在平板不含裂纹的自由端施加任意恒定应力，计算裂纹前沿表面点处的断裂参量C*分布，记为

S2：建立平板有限元模型，在平板中插入两个等大预制表面椭圆裂纹，两个裂纹尺寸相同，裂纹半长均为c；裂纹深度均为a，裂纹深度a＝0.6c；平板长度L为20c，宽度W为10c，平板厚度t＝5a，裂纹尖端最小单元尺寸选为a/50mm，两个裂纹的距离s分别选为0.5c，1c，2c和3c，在平板不含裂纹的自由端施加任意恒定应力，计算不同距离下两个裂纹靠近位置即表面点的断裂参量C^*分布，记为

S3：改变平板厚度t＝2.5a，1.67a，1.25a，重复步骤S1和S2，计算不同厚度下的单裂纹表面点的

以及双裂纹共存下裂纹表面点的

S4：高温蠕变条件下表面多裂纹干涉效应表征，利用蠕变干涉因子

表示多裂纹干涉程度，根据S1，S2和S3计算结果，计算不同情况下蠕变干涉因子；

S5：采用非线性数据拟合的方法，获得蠕变多裂纹干涉程度计算公式的4个参量A₁，A₂，A₃，A₄；

(2)、高温管道表面缺陷的规则化，其中高温管道材料与步骤(1)中有限元模型所用材料相同；

依据高温管道无损检验的结果，确定缺陷或裂纹的尺寸和准确位置，考虑无损检验的精度，对探测到裂纹尺寸乘上一个安全系数以将裂纹尺寸放大，安全系数根据现行标准中对无损探伤要求进行，根据检测缺陷的长度和深度，把表面缺陷规则化为椭圆形表面缺陷，规则化时取缺陷最深位置的深度为规则化裂纹的深度，取裂纹最长处的长度为规则化裂纹的长度，a_i代表规则化裂纹的深度，c_i代表规则化裂纹的半长其中i代表裂纹的个数和次序，为1，2，3，4……，测量管道厚度t；

(3)、高温管道多裂纹复合程序：

S6：对于检测到多个裂纹，相邻的裂纹分别进行多裂纹干涉程度分析，分析时均采用裂纹原始尺寸：

a_合并前＝max(a₁,a₂)

c_合并前＝max(c₁,c₂)

其中a_合并前为裂纹原始深度，c_合并前为裂纹原始半长，a₁,a₂为相邻两个裂纹的深度，c₁,c₂为相邻两个裂纹的半长；

代入

计算裂纹干涉程度，如果M_creep<2^0.5，则两个裂纹不需要合并，仍单独进行分析；

S7：若M_creep≥2^0.5，按照下面方法计算合并后裂纹尺寸：

a_合并后＝max(a₁,a₂)

2c_合并后＝2c₁+2c₂+s₁

其中a_合并后相邻两个裂纹合并后的深度，c_合并后为相邻两个裂纹合并后的半长，s₁为相邻两个裂纹的间距；

S8：若存在两条以上裂纹，两两相邻的裂纹重复S6和S7步骤进行多裂纹干涉程度分析和裂纹复合。

2.根据权利要求1所述的一种高温管道中表面多裂纹的复合方法，其特征在于：所述步骤(1)中适用温度范围是超过材料0.4T_m且小于0.8T_m。

3.根据权利要求1所述的一种高温管道中表面多裂纹的复合方法，其特征在于：所述安全系数为1.5。

4.根据权利要求1所述的一种高温管道中表面多裂纹的复合方法，其特征在于：所述无损检验通过超声探伤或磁粉探伤完成。

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