蠕变对高温管道的影响

化工和发电行业有些管道系统的温度高于370℃。针对高温管道的设计,用户往往从材料、管道柔性、支撑间距方面进行详细的考虑。此时影响热管道设计主要有两个方面:一是管道柔性,二是高温蠕变。目前柔性设计方面,通过软件依据规范的计算,均可得到解决。而蠕变带给管道的影响,如管口和支架冷态推力大小(国内电力称为松冷工况,汽轮机往往要求设计方提供这个载荷),管道应力和剩余强度(运行一段时间的系统改造,管道剩余强度和寿命评估)对常规的管道应力分析软件是没有办法来解决的。针对蠕变的影响,相应的规范在材料许用应力方面有所考虑,而在应力评定和约束载荷方面并没有统一的解决方法。高温蠕变可以引发管道更大的变形垮塌失效或爆裂,它和疲劳在一起相互作用会加速管道失效。本文我们将主要讨论蠕变对管道应力和支架、管口推力的影响。

什么是蠕变?

蠕变(Creep),也称潜变,是在应力影响下固体材料缓慢永久性的移动或者变形的趋势。它的发生是低于材料屈服强度的应力长时间作用的结果。当材料长时间处于加热当中或者在熔点附近时,蠕变会更加剧烈。蠕变常常随着温度升高而加剧。

这种变形的速率与材料性质、加载时间、加载温度和加载结构应力有关。随着加载应力变大和持续时间变长,这种变形可能变得很大,以至于一些部件可能不再发挥它的作用,例如,涡轮叶片的蠕变将会使叶片接触到外套,导致叶片的失效。蠕变常常是工程上和冶金上评价在高应力或高温下工作的部件所需要关注的重点。蠕变可能是组成失效模型的变形机制,也可能不是。不像脆性断裂,蠕变变形并不会在应力作用下突然断裂。而是,应变会在长时间应力作用下积累。蠕变变形是一种“时间依赖”的变形。

蠕变变形发生的温度范围因材料不同而不同。例如,钨需要几千度才能发生蠕变变形,然而冰将在冰点下蠕变。通常,在金属熔点的大约30%和陶瓷熔点的40%-50%时蠕变效果开始逐渐明显。事实上,任何材料在接近其熔点的时候都会蠕变。

不仅仅在需要保持高温的系统中,例如核电站、喷气发动机和热交换机,也在许多日常物质的设计中,蠕变变形都是很重要的。例如,一个蠕变变形应用的例子是钨灯丝的设计。支柱之间灯丝圈的下垂随时间不断增长,原因是灯丝自身重量而引发的蠕变变形。如果过多的变形发生,邻近圈的灯丝相互接触,将引发短路和局部过热,从而很快导致灯丝失效。因此灯丝形状和支柱被设计用来限制由灯丝重量引发的应力,而且一种掺杂了氧在晶界中的特殊的钨被用来减缓蠕变的速率。

在蒸汽涡轮发电站中,管道在高温(566°C/1050°F)和高压(24.1MPa/3500psi或更高)下运输蒸汽引发蠕变变形。因此,理解材料的蠕变变形行为是很重要的。

蠕变的影响

高温蠕变导致二次应力随着时间的增加逐渐降低;一次应力随时间逐渐增加。蠕变和自冷紧会导致管道在固定点、设备口和支架处产生一个新的载荷。国内电力行业以往的软件含有一个工况即松冷工况(松指二次应力降低,冷指自冷紧)

如果检查热态OPE(W+T+P)状态应力,我们可以看到他逐渐变小。

而检查冷态管道出现自冷紧效果。在特高温管道系统上,这个自冷紧率高于100%,材料的冷热弹性模量比率差距巨大(100%*Ec/Eh)。基于这个影响,设备管口和支架都会呈现出一个松冷工况的特殊力,这个力往往很大,对设备管口,尤其是汽轮机影响很大。

蠕变的考虑

俄罗斯CKTI公司(圣彼得堡)在高温蠕变管道方面针对不同高温材料进行了大量的试验,获得的结果验证了热态应力减小而冷态出现自冷紧现象,并得出一个相对简化的方法,并体现在俄罗斯高温管道规范上,通过在管道应力分析中考虑自冷紧系数和蠕变系数来模拟蠕变的影响。

下面的图是针对P91材料,从系数大小上可以看到温度变化对蠕变和自冷紧的影响:

Temperature

°C

Cold spring factor Creep factor
450 0.543 1.0
500 0.671 0.86
550 0.813 0.676
600 0.971 0.45
608 1.0 0.432
650 1.0 0.19

 

在工况处理上,热态将变化温差乘以蠕变系数,影响热态应力,让其变小;冷态变化温差乘以自冷紧系数,让自冷紧载荷变大。

我们针对下面的系统

外径500X50mm P91材料

温度:500℃

压力:16Mpa

从上面结果可以看到,高温蠕变和自冷紧导致热态应力降低,冷态应力上升。

如果我们通过下图观察节点10处固定架的Y向推力,OPE工况热胀管道负Y向推力为8.16吨,而Post-Rest(松冷工况)管道出现自冷紧,正Y向拉力为6.47吨。

蠕变和自冷紧对支架和设备管口推力的影响如下:

 

热态工况

冷态工况

绿色线表示原始安装线

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

85 − = 78

This site is protected by wp-copyrightpro.com