一種膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法，其包括（1）建立膜式水冷壁管的有限元模型，得到缺陷的形貌、缺陷的深度與管子的局部等效應(yīng)力水平關(guān)系表單；（2）對待判定膜式水冷壁管的內(nèi)壁的腐蝕程度進(jìn)行無損檢測，獲得腐蝕形貌和腐蝕深度；（3）參照步驟（1）所得關(guān)系表單，找到所檢測的腐蝕形貌和腐蝕深度對應(yīng)的局部等效應(yīng)力；（4）將步驟（3）所得局部等效應(yīng)力與膜式水冷壁管在400℃時的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較，取安全系數(shù)為1.5，當(dāng)所得局部等效應(yīng)力σ大于等于膜式水冷壁管在400℃時的屈服極限σs/1.5倍時，判定該膜式水冷壁管處于臨界失效狀態(tài)。該方法現(xiàn)場實施較為簡單，無需特殊的設(shè)備，可大量節(jié)約水冷壁管更換數(shù)量，且保證機(jī)組安全運(yùn)行。
【專利說明】一種膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種判斷管道是否失效的判定方法，具體涉及膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕 失效臨界判定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 高溫高壓作用下，由碳鋼及低合金耐熱鋼制造的膜式水冷壁管內(nèi)壁，對鍋爐給水 中殘余的雜質(zhì)變得更加敏感，如果給水中雜質(zhì)離子含量超過允許濃度，更會加速鍋爐的腐 蝕，引起水冷壁爐管汽水側(cè)腐蝕減薄，且爐管內(nèi)壁因存在凸起的螺紋，在螺紋邊緣凹陷位置 極易形成離子聚集和應(yīng)力集中現(xiàn)象，更會因此產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕作用，造成管子局部強(qiáng)度減弱， 嚴(yán)重時引起失效導(dǎo)致爆管，因此需進(jìn)行管道更換。
[0003] 現(xiàn)場通常采用的方法是在機(jī)組大修期間對水冷壁管進(jìn)行無損檢驗，發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)壁 腐蝕減薄后，對發(fā)現(xiàn)壁厚減薄的水冷壁位置進(jìn)行全范圍更換。采用該種方案，造成大量仍可 安全服役管道被割除，形成資源浪費(fèi)，并在更換過程形成多道新焊口，并帶來新的焊接安全 風(fēng)險。
[0004] 膜式水冷壁管內(nèi)壁存在凸起螺紋，導(dǎo)致內(nèi)壁結(jié)構(gòu)存在不均勻性，壁厚存在差異。服 役狀態(tài)下等效應(yīng)力分布不均。而管內(nèi)壁發(fā)生腐蝕過程中，由于腐蝕類型，腐蝕部位存在不 同，因而內(nèi)壁腐蝕引起的局部材料減薄對管道強(qiáng)度的影響存在差異，管道失效臨界狀態(tài)不 能簡單通過壁厚是否發(fā)生減薄予以判斷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種膜式水冷壁管內(nèi)壁 腐蝕失效臨界判定方法。
[0006] 為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：
[0007] -種膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法，其包括如下步驟：
[0008] (1)建立膜式水冷壁管的有限元模型，在所建模型的管子上設(shè)具有不同形貌和不 同深度的不同缺陷，計算得到具有不同缺陷的管子其各部位的局部等效應(yīng)力，然后將不同 缺陷和計算所得各部位的局部等效應(yīng)力中的最大等效應(yīng)力對應(yīng)列表，形成缺陷的形貌、缺 陷的深度與管子的局部等效應(yīng)力水平關(guān)系表單；
[0009] (2)對待判定膜式水冷壁管的內(nèi)壁的腐蝕程度進(jìn)行無損檢測，獲得腐蝕形貌和腐 蝕深度；
[0010] (3)參照步驟（1)所得關(guān)系表單，找到步驟（2)所檢測的腐蝕形貌和腐蝕深度對應(yīng) 的局部等效應(yīng)力；
[0011] (4)將步驟（3)所得局部等效應(yīng)力與所述膜式水冷壁管在400°C時的屈服強(qiáng)度進(jìn) 行比較，取安全系數(shù)為1.5,當(dāng)所得局部等效應(yīng)力〇大于等于所述膜式水冷壁管在400°C時 的屈服極限σs/l. 5倍時，判定該膜式水冷壁管處于臨界失效狀態(tài)。
[0012] 進(jìn)一步地，步驟（1)中，所建模型的管子的尺寸按照待判定膜式水冷壁管的規(guī)格 尺寸來建立，所建模型的管子的內(nèi)螺紋形式按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T20409-2006中的A型建立，內(nèi)壁 工況壓力和溫度條件按照機(jī)組實際滿負(fù)荷工況條件選取。
[0013] 進(jìn)一步地，步驟（1)中，建立模型時，整個所建模型的管子采用規(guī)則形狀的映射網(wǎng) 格劃分。
[0014] 進(jìn)一步地，步驟（1)中，在整個所建模型的管子的中部建立所述缺陷，缺陷區(qū)域采 用映射網(wǎng)格或自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格細(xì)化單元大小為1-2_。
[0015] 進(jìn)一步地，步驟（1)中，所建立的缺陷的形貌包括圓柱形、球冠形和矩形，其中柱 形與球冠形模型對應(yīng)的缺陷表面形貌均近似圓形（橢圓形），而矩形模型對應(yīng)的缺陷表面 形貌近似方形。同時，相較于圓柱形模型對應(yīng)的缺陷，球冠形模型對應(yīng)的缺陷內(nèi)部形貌，沿 深度方向向內(nèi)橫截面直徑逐步縮小。
[0016] 進(jìn)一步地，根據(jù)步驟（2)所檢測腐蝕形貌的特點(diǎn)將其對應(yīng)簡化為所述圓柱形、球 冠形或矩形缺陷。具體地，對于點(diǎn)狀腐蝕形貌（表面為圓形且沿深度方向向內(nèi)的橫截面直 徑>表面直徑），將其簡化為圓柱形缺陷；對于表面為方形的坑狀腐蝕形貌，將其簡化為矩 形缺陷；對于表面為圓形（橢圓形），且沿深度方向向內(nèi)的橫截面直徑<表面直徑的坑狀腐 蝕形貌，將其簡化為球冠形缺陷。
[0017] 進(jìn)一步地，計算時，管子的一個端面施加三個方向位移約束，另一端部施加兩個方 向位移約束且軸向不施加約束，設(shè)置工況壓力和溫度條件后，進(jìn)行非線性彈塑性計算，計算 時忽略鰭片結(jié)構(gòu)，忽略蠕變現(xiàn)象，不考慮管子熱應(yīng)力、彎矩、焊接接頭的附加應(yīng)力。
[0018] 根據(jù)一個具體方面，步驟（4)中，當(dāng)所得局部等效應(yīng)力大于等于所述膜式水冷壁 管在400°C時的屈服強(qiáng)度時，判定該膜式水冷壁管處于臨界失效狀態(tài)。
[0019] 本發(fā)明采取的又一技術(shù)方案是：一種膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕減薄后的處理方法， 該方法包括：
[0020] (1)采取上述的膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法判定該膜式水冷壁管內(nèi) 壁是否處于臨界失效狀態(tài)；
[0021] (2)對判定處于臨界失效狀態(tài)的管道部位進(jìn)行更換。
[0022] 進(jìn)一步地，對沒有達(dá)到臨界失效狀態(tài)的管道部位不進(jìn)行更換。
[0023] 由于上述技術(shù)方案的采用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 本發(fā)明通過對膜式水冷壁管不同類型內(nèi)壁腐蝕深度與等效應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行 研究，得出管道是否受內(nèi)壁腐蝕深度影響，處于局部失效臨界狀態(tài)，結(jié)合水冷壁內(nèi)部損傷程 度無損檢驗結(jié)果，判定該區(qū)域是否需要進(jìn)行管道更換，該方法現(xiàn)場實施較為簡單，無需特殊 的設(shè)備，可大量節(jié)約水冷壁管更換數(shù)量，且保證機(jī)組安全運(yùn)行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明：
[0026] 圖1為膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕形貌示意圖；
[0027] 圖2為有限元模型建立的管子的示意圖；
[0028] 圖3為實例1膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕典型形貌特征；
[0029] 圖4為對無缺陷水冷壁管進(jìn)行模型建立后所得一個等效應(yīng)力分析圖；
[0030] 圖5-7分別為建立圓柱形、球冠形和矩形缺陷后所得等效應(yīng)力分析圖。

【具體實施方式】
[0031] 本發(fā)明主要用于解決300MW火電機(jī)組膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界（等效應(yīng)力 等于安全校核強(qiáng)度）判定的問題，采用常規(guī)的方法，對內(nèi)壁發(fā)生腐蝕的膜式水冷壁管無法 評估管道是否處于失效臨界狀態(tài)，而需對存在內(nèi)壁腐蝕的位置進(jìn)行全范圍管道更換，造成 大量仍可安全服役管道被割除，形成資源浪費(fèi)，并在更換過程形成多道新焊口，帶來新的安 全風(fēng)險。采用本發(fā)明，可形成系統(tǒng)的判別水冷壁管內(nèi)壁腐蝕程度的方法，從而判定材料失效 臨界狀態(tài)，并根據(jù)檢驗結(jié)果，針對性處理管道更換。
[0032] 如圖1所示，火電機(jī)組膜式水冷壁管1內(nèi)壁上具有內(nèi)螺紋2。實際應(yīng)用中發(fā)生腐蝕 的形貌主要為點(diǎn)狀形貌3和坑狀形貌，坑狀形貌又有圓形（橢圓形）坑4和矩形坑5。本發(fā) 明的方法可以針對具體的腐蝕情況判斷該腐蝕所在的位置的管道是否需要更換。
[0033] 本發(fā)明方法包括以下步驟：
[0034] (1)建立有限元模型
[0035] 獲取相應(yīng)水冷壁管規(guī)格尺寸，內(nèi)螺紋形式按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T20409-2006中的A型建 立。內(nèi)壁工況壓力、溫度條件設(shè)置按機(jī)組實際滿負(fù)荷工況條件選取。
[0036] 建立的不含缺陷有限元模型。整個管子模型采用規(guī)則形狀的映射網(wǎng)格劃分，如圖 2所示。
[0037] 計算時，一端面施加三個方向位移約束，另一端面施加兩個方向位移約束（軸向 不施加約束），設(shè)置工況壓力、溫度條件后，進(jìn)行非線性彈塑性計算。
[0038] 腐蝕情況建立模型時，腐蝕坑建立在整個管子的中部，腐蝕區(qū)域采用映射網(wǎng)格或 自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格細(xì)化（單元大小約1-2_)。
[0039] 計算時忽略鰭片結(jié)構(gòu)，忽略蠕變現(xiàn)象，不考慮管子熱應(yīng)力、彎矩、焊接接頭等的附 加應(yīng)力。
[0040] (2)評估腐蝕深度與局部等效應(yīng)力水平關(guān)系
[0041] 通過將點(diǎn)狀腐蝕形貌簡化為圓柱形缺陷，坑狀缺陷簡化為球冠形或矩形缺陷，分 析不同形狀腐蝕坑、不同腐蝕深度后管子的各部位等效應(yīng)力狀態(tài)。
[0042] 腐蝕區(qū)域所對應(yīng)外壁上的等效應(yīng)力達(dá)到或接近材料安全校核強(qiáng)度（需考慮機(jī)組 服役運(yùn)行對材料性能退化影響）時，則判定管子達(dá)到該形貌下失效臨界腐蝕深度。
[0043] 通過模型計算結(jié)果，形成各腐蝕形貌下腐蝕深度與局部等效應(yīng)力水平關(guān)系表單， 用于后續(xù)檢驗判定使用。
[0044] (3)水冷壁管剩余壁厚無損檢測
[0045] 采用專用無損檢測設(shè)備，對水冷壁管進(jìn)行內(nèi)壁腐蝕程度檢驗，通過檢驗結(jié)果判定 腐蝕形貌狀態(tài)，及該對應(yīng)形貌部位下腐蝕深度（剩余壁厚）。參照腐蝕深度與局部等效應(yīng)力 水平關(guān)系表單，判定該部位管道是否需要更換。
[0046] (4)更換低于失效臨界強(qiáng)度水冷壁管道
[0047] 采用常規(guī)水冷壁管更換方法，對判定失效部位管道進(jìn)行逐步更換。
[0048] 以下結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0049] 如圖3所示，其顯示某電廠膜式水冷壁（材料為20G，規(guī)格φ45X4. 7工況壓力 19. 5MPa，溫度400°C)內(nèi)壁腐蝕典型形貌特征。在管壁及凸起螺紋處存在多處點(diǎn)狀腐蝕和 坑狀腐蝕。
[0050] 采取本發(fā)明方法建立有限元模型，參見圖4,其為對無缺陷水冷壁管進(jìn)行模型建立 后，等效應(yīng)力分析研究結(jié)果，計算時，一端面施加三個方向位移約束，另一端面施加兩個方 向位移約束（軸向不施加約束），內(nèi)壁施加20MPa壓力，整個管道施加400°C溫度，進(jìn)行非線 性彈塑性計算。由云圖數(shù)據(jù)可以判斷，受壁厚及結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響，可判定：水冷壁管受腐蝕影 響危險部位為管壁處，凸起螺紋處失效幾率較小，實際工程應(yīng)用中可不考慮該區(qū)域失效。參 見圖5至7,分別為建立圓柱形缺陷、球冠形缺陷和矩形缺陷模型后，研究水冷壁管壁腐蝕 缺陷狀態(tài)下管子等效強(qiáng)度分布。通過設(shè)定不同的缺陷深度，可以計算得到相應(yīng)的管子上各 部位的等效應(yīng)力，將缺陷深度、缺陷形貌和最大等效應(yīng)力對應(yīng)列表形成缺陷的形貌、缺陷的 深度與管子的局部等效應(yīng)力水平關(guān)系表單。
[0051] 參見表1，其為某規(guī)格膜式水冷壁管針對不同缺陷深度、不同缺陷形貌（圓柱形、 球冠形和矩形腐蝕缺陷）的腐蝕區(qū)域外壁等效應(yīng)力分布結(jié)果計算示例。
[0052] 表1缺陷的形貌、缺陷的深度與管子的局部等效應(yīng)力水平關(guān)系表
[0053]

【權(quán)利要求】
1. 一種膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 建立膜式水冷壁管的有限元模型，在所建模型的管子上設(shè)具有不同形貌和不同深 度的不同缺陷，計算得到具有不同缺陷的管子其各部位的局部等效應(yīng)力，然后將不同缺陷 和計算所得各部位的局部等效應(yīng)力中的最大等效應(yīng)力對應(yīng)列表，形成缺陷的形貌、缺陷的 深度與管子的局部等效應(yīng)力水平關(guān)系表單； (2) 對待判定膜式水冷壁管的內(nèi)壁的腐蝕程度進(jìn)行無損檢測，獲得腐蝕形貌和腐蝕深 度； (3) 參照步驟（1)所得關(guān)系表單，找到步驟（2)所檢測的腐蝕形貌和腐蝕深度對應(yīng)的局 郃等效應(yīng)力； (4) 將步驟（3)所得局部等效應(yīng)力與所述膜式水冷壁管在400°C時的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比 較，取安全系數(shù)為1.5,當(dāng)所得局部等效應(yīng)力 〇大于等于所述膜式水冷壁管在400°C時的屈 服極限σ s/l. 5倍時，判定該膜式水冷壁管處于臨界失效狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法，其特征在于：步 驟（1)中，所建模型的管子的尺寸按照待判定膜式水冷壁管的規(guī)格尺寸來建立，所建模型 的管子的內(nèi)螺紋形式按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20409-2006中的A型建立，內(nèi)壁工況壓力和溫度條件 按照機(jī)組實際滿負(fù)荷工況條件選取。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法，其特征在于：步 驟（1)中，建立模型時，整個所建模型的管子采用規(guī)則形狀的映射網(wǎng)格劃分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法，其特征在于：步 驟（1)中，在整個所建模型的管子的中部建立所述缺陷，缺陷區(qū)域采用映射網(wǎng)格或自由網(wǎng) 格劃分，網(wǎng)格細(xì)化單元大小為1_2_。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法，其特征在于：步 驟（1)中，所建立的缺陷的形貌包括圓柱形、球冠形和矩形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法，其特征在于：根 據(jù)步驟（2)所檢測腐蝕形貌的特點(diǎn)將其對應(yīng)簡化為所述圓柱形、球冠形或矩形缺陷。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法，其特征在于：計 算時，管子的一個端面施加三個方向位移約束，另一端部施加兩個方向位移約束且軸向不 施加約束，設(shè)置工況壓力和溫度條件后，進(jìn)行非線性彈塑性計算，計算時忽略鰭片結(jié)構(gòu)，忽 略蠕變現(xiàn)象，不考慮管子熱應(yīng)力、彎矩、焊接接頭的附加應(yīng)力。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法，其特征在于：步 驟（4)中，當(dāng)所得局部等效應(yīng)力大于等于所述膜式水冷壁管在400°C時的屈服強(qiáng)度時，判定 該膜式水冷壁管處于臨界失效狀態(tài)。
9. 一種膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕減薄后的處理方法，其特征在于該方法包括： (1) 采取如權(quán)利要求1至7所示的膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕失效臨界判定方法判定該膜 式水冷壁管內(nèi)壁是否處于臨界失效狀態(tài)； (2) 對判定處于臨界失效狀態(tài)的管道部位進(jìn)行更換。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的膜式水冷壁管內(nèi)壁腐蝕減薄后的處理方法，其特征在于，對 沒有達(dá)到臨界失效狀態(tài)的管道部位不進(jìn)行更換。
【文檔編號】G06F17/50GK104318010SQ201410561953
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】楊佳, 張軼桀, 陳忠兵, 張翼, 盧權(quán), 王淦剛, 楊凱, 楊海松, 呂一仕, 魯立, 成鵬 申請人:蘇州熱工研究院有限公司, 中國廣核集團(tuán)有限公司, 中國廣核電力股份有限公司, 三河發(fā)電有限責(zé)任公司