异径管的标准及其失效分析

作者:admin 来源:原创 日期:2018-1-3 0:28:40 人气:44

1引言

    目前.关于外载荷作用下异径管应力分布状况未见报道,异径管的失效事故及其分析很少报道。由于异径管结构简单,同心异径管和偏心异径管类似于直管、异径弯管类似于等径弯管(弯头),人们通常就应用直管和等径弯管的有关理论去分析异径管的问题,其特性长期以来为人们所忽视,从制造、安装到投用均存在不少安全隐患.

2标准体系

    国内外常用的一些异径管标准见表1,表中√和X分别表示某标准中有或没有包括相应的异径管结构形式。我国无缝异径管规格参数DN15800mm,PN1.6^-32MPa,焊制有缝异径管规格参数DN400^-1600mm,PN1. 6--1 OMPa。关于管件的公称通径,新标准GB/T1047-1995(管道元件的公称通径》代替了GB1047-70(管子与管路附件的公称通径》,管道和管道附件、配件的公称直径也称为公称通径.它是名义直径,既不等于管道外径,也不等于管道内径。文中表4-1-20提供了可锻铸铁制造的异径内外丝弯头的外形及规格尺寸。由此可知,异径管在受压管道系统中是很重要的部件。国外如著名的美国国家标准ASME/ANSI B16.9《工厂制造的锻制钢对接炸管件》(其中特别列出了大半径缩径弯头尺寸 ).

    标志为R(C)-100 x 80B-Sch80-16Mn GB12459的异径管其各部分含义是:R(C)一钢制同心异径管.100x80一公称通径mm, 13一外径为B系列,Sch80--壁厚等级.l6Mn一材料.GB 12459一标准。此外,R( E)一偏心异径管,WR(C)一钢板制对焊同心异径管。

3异径管的失效事故

    压力管道的组成件的产品制造过程中没有强制性的监督控制。大量伪劣产品给管道埋下了事故隐患。例如,某工程4号机组主汽变径段.经过正常工艺的焊接和热处理后,发生严重的断裂事故,检验表明.这是管材在热加工时严重过烧造成的.又如.某炼油厂加氢裂化管线中上万件新购弯头、异径管、三通在投用前检测发现3000管件存在裂纹、硬度偏高、砂眼等缺陷。

    陈学东和王冰等将1995年石化企业一、二、三类管道爆炸与严重损坏事故原因进行了分类,很明显腐蚀与冲蚀比例偏高.管件质量差及安装时焊接缺陷较多也是石化企业管道失效的主要原因.1997.他们对42条高强钢管线进行调查时,发现68次泄漏事故中,焊接质最引起的占25次,管件质量引起的占28次,冲蚀引起的占15次。根据对国内200起压力管道事故原因的统计分析.管子、管件、阀门质址问题占27.3%ls1。异径锌的安装存在不少问题.尤其在偏心异径V和异径弯炸内壁,当液体中还有固体颗粒.形成所谓双相流时,更易产生快而严重的局部冲蚀减薄。国内外的生产实际表明,山于异径管的失效而产生的事故为数不少一些有关案例如表2所示。

    此外,黄振仁在论述我国压力管道安全技术现状时提到了其他四起关于异径管的安全事故,陈曙光和曹元祥也分析报道了其他由异径断裂爆炸引起的事故。

4失效分析

    由此来看.管系的许多破坏是从异径管开始的.目前为止,Sang Z. F. , Widera G. E. 0.通过有限元法对五种尺寸不同的板制同心异径节的应力和强度进行了分析,孙儒荣翻译了该论文. Raetz R.V.时的强度进行了实验研究.Wang A.对带喇叭过渡段的圆锥壳的应力及其稳定性进行了分析研究。

    宋建华等用SA P5 p程序对扬子石化公司一条STPA-23钢的高温(设计温度530)高压(设计压力12MPa)蒸汽管线上的包含异径管的管段进行了三维有限元应力分析,该管线上不同部位的三件结构相同的异径管在运行2-3年后,其小端环焊缝先后出现了裂纹。计算结果表明:裂纹所在截面由温度载荷引起的轴向力最大,它比由内压引起的轴向力大4-10倍,而由温度载荷引起的轴向应力、周向应力和径向应力中,轴向应力也比另两项应力大4-5倍。黄振仁还就该管线对尺寸同为Dg400x 250的偏心及同心异径管的小端应力集中系数进行了计算,认为该系数不仅与异径管结构尺寸有关,还与结构型式有关,在相同的直径比条件下,偏心异径管的小端应力集中系数比同心异径管的小端应力集中系数大,而当异径管两端直径相差大时.与异径管小端相连的管子基准应力也大.刘军和由立也对该管线异径管小端裂纹的成因进行了分析,得出相同的结论。李祖贻报道的另一起关于异径管小端成为管系中的高应力“点”而导致该焊缝的开裂、泄漏事故.也说明同样的结论。

    某乙烯公司自备电厂超高压蒸汽管线异径管的开裂原因.原管网设计部门和使用管理部门进行过反复的分析研究,但是,没有找到彻底有效的处理对策。据报道:国内某电力系统研究机构通过检测与试验分析了该异径的失效,认为是长期在较高拉应力作用下造成的蠕变开裂,而裂纹的起源则是焊缝未熔合,但是较高拉应力的来源不明。后来。有学者选用关国COADE公司开发的著名管道专用计算程序对该管线进行了应力计算,发现其二次应力的最大点(包括溢差应力在内)符合ANSI B31. 3规范的要求,但是不符合ANSIB31.1规范的要求,说明在设计状态下会发生由热膨胀所产生的疲劳或其它形式的失效。对于同一个研究对象,多方研究后得出不同的结论,说明人们对异径管的认识尚有不一致的地方。

    从以上含缺陷异径管的问题研究可看出,研究所采用的主要方法主要为数值计算或实验,得到的结论尚缺乏验证,缺乏可靠的应用依据。

5异径管的理论研究

    国家“八五”、“九五”期间对直管、弯头、三通、接管等管件进行了重点科技攻关并取得不少研究成果.“十五”期间,对这些锌件的安全评估技术研究将进一步深人进行。但是,这三个五年规划均未把异径管纳人研究对象。2001年底发表的W RCBulletin 465号公布中,尚没有关于异径管的报道,其中与锥壳有关的内容也就是在锥壳与圆筒体的不连续结构对强度的影响上).

    Mallett R. H.Kumar S.Thomas K在介绍ASME B&PV Cod。第111(1975)及其Case1592-70975)关于高温下1级管道的应力评估时,明确管道的部件包括异径管。偏心异径竹受弯矩外载荷时横截面较直管容易出现扁平效应而增加附加弯矩。轴向距离较短的锥壳受边界效应影响很明显。但是总的来说,关于无缺陷异径管的应力分析、安全评估及异径管局部减薄的研究为一片空白。