一种基于二向应力的电站高温管道寿命分析方法及装置

技术领域

本发明涉及管道寿命分析技术领域，特别涉及一种基于二向应力的电站高温管道寿命分析方法及装置。

背景技术

目前，电站高温管道的寿命分析方法主要是依据管道材料的持久强度数据，分析过程如下：从管道上截取一段管段，加工成持久强度试样，在服役温度下进行不同应力条件的持久强度试验，记录断裂应力和断裂时间，绘制断裂应力-时间曲线，然后外推得到剩余寿命，以此来进行寿命评估。此方法存在两个问题，第一是试样的应力状态与实际服役管道不同造成评估存在较大误差，持久强度试验的试样处于单轴拉伸的应力状态，而实际管道处于三向应力状态；第二是截取一段管道的取样过程和管道恢复过程工程量巨大。针对第二个问题出现了基于微试样方法的管道寿命评估技术，该方法可以做到微损取样，但是评估过程仍然是利用微试样的试验结果转换为持久强度数据，然后再进行评估，该评估过程存在双重误差：一是转换过程为经验公式，存在较大误差；二是评估过程仍然是采用持久强度外推法，本身存在误差。

针对电站高温管道的寿命分析，需要提供简化、精度高、更接近实际受力的方法。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于二向应力的电站高温管道寿命分析方法，包括，

对电站高温管道进行受力分析，忽略所述管道的径向应力以及层间相互作用，将所述管道视为二向应力状态；

对电站高温管道试样的小冲杆试验的试样进行应力分析，与二向应力状态的电站高温管道的应力建立联系以确定小冲杆试验的试验力；

确定待测的电站高温管道的有效壁厚，并获取在小冲杆试验的试验力条件下有效壁厚的电站高温管道的小冲杆试验数据，从而获得待测的电站高温管道的寿命。

进一步地，所述管道视为二向应力状态为受到环向应力和轴向应力。

进一步地，所述环向应力为，

所述轴向应力为，

其中，σ

进一步地，对电站高温管道试样的小冲杆试验的试样进行应力分析，与二向应力状态的电站高温管道的应力建立联系以确定小冲杆试验的试验力包括，

将电站高温管道试样的小冲杆试验视为平板拉伸，在稳态蠕变阶段时，试样的挠度、变形角、厚度视为恒定，存在以下的平衡关系，

F＝2πrtσ

σ

其中，F为小冲杆试验的试验力，σ

令σ

进一步地，所述确定待测的电站高温管道的有效壁厚，并获取在小冲杆试验的试验力条件下有效壁厚的电站高温管道的小冲杆试验数据，从而获得待测的电站高温管道的寿命包括，

将待测的电站高温管道区分为内外壁壁厚、极限最小壁厚以及有效壁厚，待测的电站高温管道的有效壁厚为待测电站高温管道的总壁厚减内外壁壁厚和极限最小壁厚；

在小冲杆试验的试验力条件下对有效壁厚的电站高温管道进行小冲杆试验，获取挠度-时间曲线确定断裂时间，获得待测的电站高温管道的寿命。

进一步地，所述获得待测的电站高温管道的寿命的公式为，

其中，S为待测的电站高温管道的寿命，n和m分别为有效壁厚的电站高温管道进行小冲杆试验的某层和总层数，S

进一步地，所述K的取大于0.1且小于1.0；

所述N的取值大于0.3且小于1.0。

进一步地，所述内外壁壁厚的厚度均为1～5mm；

所述极限最小壁厚根据管道强度校核确定。

本发明也提供了一种基于二向应力的电站高温管道寿命分析装置，包括，

管道状态分析模块，对电站高温管道进行受力分析，忽略所述管道的径向应力以及层间相互作用，将所述管道视为二向应力状态；

应力关系建立模块，对电站高温管道试样的小冲杆试验的试样进行应力分析，与二向应力状态的电站高温管道的应力建立联系以确定小冲杆试验的试验力；

管道寿命预测模块，确定待测的电站高温管道的有效壁厚，并获取在小冲杆试验的试验力条件下有效壁厚的电站高温管道的小冲杆试验数据，从而获得待测的电站高温管道的寿命。

相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

本发明将管道视为多层结构，并忽略层与层之间的相互作用；此外，因为径向应力为压应力，压应力不会造成管道的损伤，还忽略管道的径向应力，将管道的受力归于环向应力和轴向应力作用，视为处于二向应力状态，这样的分析方法使得管道的受力更接近实际受力状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了基于二向应力的电站高温管道寿命分析方法的流程图；

图2示出了试样进行小冲杆试验的装置示意图；

图3示出了小冲杆试验过程示意图；

图4示出了小冲杆试验典型的挠度曲线；

图5示出了将小冲杆试验视为平板拉伸的示意图；

图6示出了基于二向应力的电站高温管道寿命分析装置的结构示意图；

附图标记说明：

1、冲头；2、压块；3、试样。

具体实施方式

下面将结合本发明具体实施例和说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一个实施例中提供了一种基于二向应力的电站高温管道寿命分析方法，包括以下的步骤：

S101、对电站高温管道进行受力分析，忽略所述管道的径向应力以及层间相互作用，将所述管道视为二向应力状态。

由于电站高温管道的径向应力为压应力，此应力对管道的损伤不起作用，因此忽略此径向应力，仅考虑环向应力和轴向应力，由内压引起的环向应力和轴向应力分别如式1和式2所示：

其中，σ

从式1和式2可以看出，由内压引起的环向应力大于轴向应力，在薄壁假设的情况下，由内压引起的环向应力是轴向应力的2倍，但是在实际情况下轴向应力应该加上附加载荷引起的轴向应力。

S102、对电站高温管道试样的小冲杆试验的试样进行应力分析，与二向应力状态的电站高温管道的应力建立联系以确定小冲杆试验的试验力。

小冲杆试样是薄片状圆形试样，厚度0.5mm至1.0mm，试验过程是在一定温度下对圆形试样中心施加恒定的载荷，记录试样中心的变形量，即试样中心的挠度，得到挠度-时间曲线。如图2和图3所示，试验开始前将试样3装在压块2中间并压紧，开始升温，温度达到管道服役的温度后保温一定的时间，待温度均匀后冲头1开始加载，载荷根据管道应力分析确定，在此过程中试样开始变形，记录试样中心的变形量即可得到挠度-时间曲线，试样破裂的时间为断裂时间，典型的挠度曲线如图4所示。

在具体的小冲杆试验中，将电站高温管道试样的小冲杆试验视为平板拉伸，如图5所示，在稳态蠕变阶段时，试样挠度δ的变化很小，可看做恒定，则试样的变形角θ也可以看做恒定，试样的厚度t也视作不变，在距离试样中心距离r的不同截面处试样的受力不同，则试样的挠度、变形角、厚度视为恒定，存在以下的平衡关系

F＝2πrtσ

σ

其中，F为小冲杆试验的试验力，σ

令σ

根据实际小冲杆试验，θ和r在一个较小的范围内分布，根据此预先确定多个不同的试验力F，在多个试验力F条件下进行小冲杆试验，小冲杆的试验温度与电站高温管道服役温度相同，可以得到多个挠度-时间曲线和断裂时间。

S103、确定待测的电站高温管道的有效壁厚，并获取在小冲杆试验的试验力条件下有效壁厚的电站高温管道的小冲杆试验数据，从而获得待测的电站高温管道的寿命。

将管道壁厚分为三个部分：内外壁表面、极限最小厚度部分、承受载荷部分(有效壁厚)。内壁外表面存在较多缺陷，一般各为1～5mm，此部分不参与寿命评估。极限最小壁厚是指在此壁厚下管道会迅速发生破坏，该壁厚根据管道强度校核确定，强度校核时不考虑安全系数。这其中内外壁表面和极限最小厚度不参与管道的损伤变化，此部分不参与寿命评估。参与寿命评估的仅为有效壁厚，通过此项分类，表征了电站高温管道的失效均为低应力脆性断裂的特点，更加符合实际情况，即电站高温管道在失效前期并未发生明显的塑性变形，而在失效时发生无明显塑性变形的开裂，断口呈现脆性断口的现象。

随后，在小冲杆试验的试验力条件下对有效壁厚的电站高温管道进行小冲杆试验，获取挠度-时间曲线确定断裂时间，获得待测的电站高温管道的寿命。因为小冲杆试验对于试样厚度的限制，将有效壁厚的电站高温管道的样品分为多层，因为管道总是有一定的缺陷，层之间的损伤演变也存在一定的同步现象，因此还需要考虑安全系数K(0.1，1.0)和扩展系数N(0.3，1.0)。待测的电站高温管道的寿命的公式为，

其中，S为待测的电站高温管道的寿命，n和m分别为有效壁厚的电站高温管道进行小冲杆试验的某层和总层数，S

如图6所示，本发明的另一个实施例中提供了一种基于二向应力的电站高温管道寿命分析装置，包括，

管道状态分析模块，对电站高温管道进行受力分析，忽略所述管道的径向应力以及层间相互作用，将所述管道视为二向应力状态；

应力关系建立模块，对电站高温管道试样的小冲杆试验的试样进行应力分析，与二向应力状态的电站高温管道的应力建立联系以确定小冲杆试验的试验力；

管道寿命预测模块，确定待测的电站高温管道的有效壁厚，并获取在小冲杆试验的试验力条件下有效壁厚的电站高温管道的小冲杆试验数据，从而获得待测的电站高温管道的寿命。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。