主蒸汽管道弯管的金属监督

主蒸汽管道弯管的金属监督

刘威

大唐湘潭发电有限责任公司湖南湘潭411101

摘要：弯管是主蒸汽管道系统中较易损坏的部件之一。本文分析了主蒸汽管道弯管的金属监督。

关键词：主蒸汽管道；弯管；金属监督

前言：在主蒸汽管道系统中，弯管是数量最大的薄弱环节。而主蒸汽管弯管在长期运行时弯管发生复圆，使不圆度变小。因此，对主蒸汽管弯管进行金属监督也是可行的、简单的、有效的手段之一。

1监察弯管的选择原则

1、弯曲角度为90°，应没有划痕。在弯管制造时，由于其外弧侧材料被拉伸、减薄，横断面变为椭圆，会导致弯管局部区域应力增大，总体强度变小；另外，由于塑性变形，致使这部份材料产生了预损伤，高温强度降低。当弯管的弯曲角度越大时，材料的变形减薄量越大，不圆度也越大，从而使预损伤也越大，附加应力也越大。然而，由于弯曲角度＞90°的弯管极少，所以选择90°弯管为代表。

以往对“冷弯”或“热弯”工艺生产制造的弯管，大多在外表面有不同程度的划伤。这种划伤，尤其是位于弯管外弧侧的轴向划伤（划痕），对安全运行非常不利。因划伤底部易产生较大的应力集中，使弯管外弧侧周向拉应力变得更大，加速了弯管蠕变裂纹的生成和扩展，弯管将提前破裂失效。因此，即使从安全角度上，弯管外壁表面存在的划伤（划痕）也必须磨消掉。对监察弯管应在没有划伤的基础上进行壁厚测量。需注意的是，弯管外弧侧的划伤不是裂纹产生的根本原因，而是处于高应力区的划痕由于应力集中，可加速裂纹的产生和扩展。但不是说弯管外弧侧表面高应力区内没有划痕就不会产生裂纹。

2、工作状态下，弯管的“开弯”与“闭弯”。当在工作状态下，在弯管两端点间的熟位移使其弯管的弯曲角度变小时，称为“开弯”。反之，当在工作状态下，在弯管两端点间的热位移使其弯管的弯曲角度变大时，称为“闭弯”。当弯管在工作状态下为开弯时，所产生的周向弯曲应力与弯管椭圆横截面周向拉应力的方向相同，将使合成应力增大，可导致弯管更提早破坏失效。但在实际主蒸汽管系中，在工作状态下，弯管的热胀弯在大多数情况下为“闭弯”。

2管道内压

内压是管道运行中的工质压力，它使弯管产生环向、轴向内应力。同时，具有一定不圆度的弯管在运行中椭圆“复圆”，不圆度减小，表现为在弯管椭圆横截面短轴方向上产生正蠕变，长轴方向上产生负蠕变，其原因在于短轴方向上受到由内压产生的附加弯曲力矩。内压作用下的一次应力可用薄壳理论模型计算。

如图1所示，取弯管上角度管段微元，其截面投影则是如图2所示的椭圆管环。在截面不圆度不大的情况下，椭圆截面内A点所受应力的各向分量表达式如下：

（1）

式中：分别为内压下管环截面上各点的环向、轴向、径向应力，MPa；p为管道内压，MPa；Dp为管道公称直径，m＜；δ为管道壁厚，m；R为弯管曲率半径，m。

对式（1）进行简单的数学分析可得到以下结论：①弯管轴向应力与同一管道内直管的轴向应力相同，＞，即环向应力是弯管破坏的最大应力。②当时，sin＞0；当π＜＜2π时，sin＜0，即以中性面为界，弯管内侧环向拉应力大于弯管外侧环向拉应力。但由于Dp«R，两侧应力值的差异并不大。因此，弯管的应力极值位置取决于弯管外弧部位在弯制过程中的减薄程度。③当=时，sin=-1，即理论上表明环向应力在弯管内弧靠近椭圆短轴处有最大值，这与部分事实经验不相符。与②相同，其原因在于此处的计算模型没有考虑弯管在弯制过程中外弧部壁厚减薄的情况，因在外弧部壁厚减薄导致较大应力集中的情况下，会使外弧应力大于内弧应力。但当弯管外弧部减薄量不大时，会得到符合理论模型的结果。

3弯矩载荷

弯矩载荷是包括管子自重在内的支撑载荷所产生的弯矩作用。按作用效果可分为有开弯弯矩和闭弯弯矩2种。对管系中增加柔度的弯管，弯矩载荷是持续存在的。依据弹性固体力学原理，弯管内各点由弯矩产生的应力分量表达为：

（2）

式中，开弯时取“-”，闭弯时取“+”；分别为弯矩作用下各点的环向、轴向、径向应力，MPa；r为应力点与弯曲中心的距离，m；a、b为与管子直径、弯曲半径、壁厚有关的常数；k为系数。

（3）

式中，Dw为管子外径，mほDn为管子内径，mほMo为弯矩，N°m。

由式（2）可见：

①弯矩作用所产生的应力，仍是环向应力最大。

②纯弯矩作用所产生的环向应力，无论开弯、闭弯，最大值都在r最大处，即弯管外弧位置。当弯矩为开弯作用时，弯矩产生的环向应力值为负，部分抵消了管子内压产生的环向应力；当弯矩为闭弯作用时，则会加大弯管环向应力。这表明同等大小的弯矩作用时，闭弯状态下弯管破坏危险程度更高。

③弯矩还将导致弯管不圆度的改变。在闭弯弯矩作用下，弯管弯曲角度将由变为-Δ。此时，弯管椭圆截面在短轴方向被压缩，不圆度势必增大，当外载荷为开弯弯矩时反之。由于内压导致的椭圆“复圆”作用的存在，弯管的椭圆度变化将存在加大、不变、减小趋势。因此，认为“复圆”是弯管不圆度变化的唯一趋势存在误区。

4弯管的金属特性变化

主蒸汽管道在长时间运行后金属性能会降低。由于弯管比直管故障率高，行业内一直认为弯管的金属组织老化速度要快于直管。针对这一问题进行了系统性的对比试验，其结果表明：运行过程中，低合金钢主蒸汽管直管损伤略大于弯管损伤程度。直管与弯管的损伤程度与弯管壁厚、弯管结构应力及弯制中的损伤等因素有关。

1、随着运行时间的增长，在某些情况下，如弯管壁厚较直管厚度大时，直管的金属老化进程要比弯管稍快。因此，就金属组织检验而言，弯管并不具有管道材质老化的典型意义。在主蒸汽管道的监督中，不能以弯管的抽查代替直管的检验，必须按照规程要求，重视直管的检验。

2、金相检验等理化试验方式可直接考察弯管的组织老化程度，“复圆”不是弯管蠕变损伤发展的唯一趋势。控制弯管不圆度的目的，在于以不圆度标准控制弯管应力集中程度。从表1可看出，在5MPa内压作用下，η=5.3%时，弯管外弧环向应力是直管的2.45倍，当η=12.0%时则达到了3.1倍。可见，弯管的应力集中程度随着不圆度的增大而增大。

结语：总之，弯管内弧位置有最大应力，但实际上弯制导致弯管外弧减薄，加之不圆度的存在，加大了弯管外弧部位的应力集中。运行中的弯管受到管道内压与外载弯矩的共同作用，其不圆度既可能减小，也可能增大或不变，“复圆”不能视作弯管蠕变损伤发展的唯一趋势。

参考文献：

[1]DL438.火力发电厂金属技术监督规程[S].

[2]林忠元.主蒸汽管道运行中直管和弯管金属变化特性研究[J].中国电力，2014（11）.

[3]黄敏.主蒸汽管道弯管的金属监督[J].热力发电，2014（07）.