在役自增強(qiáng)反應(yīng)管殘余應(yīng)力衰減規(guī)律及影響

朱金花，秦宗川，徐 鵬

(合肥通用機(jī)械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230031)

0 引言

聚乙烯超高壓反應(yīng)管通常采用自增強(qiáng)處理使得內(nèi)壁產(chǎn)生較高的壓縮殘余應(yīng)力，提高容器的彈性承載能力，延長疲勞壽命。但經(jīng)過長期服役，由于溫度、蠕變、壓力循環(huán)以及機(jī)械振動(dòng)［1－2］等原因，反應(yīng)管的自增強(qiáng)殘余應(yīng)力會(huì)逐步衰減并導(dǎo)致反應(yīng)管安全儲(chǔ)備喪失。

一直以來，超高壓在役反應(yīng)管的安全評(píng)估是一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)難題。由于殘余應(yīng)力松弛的誘因過于復(fù)雜，目前尚無通用可靠的理論模型用于確定自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的松弛計(jì)算，實(shí)驗(yàn)室模擬殘余應(yīng)力松弛［1，5－6］也僅從單一方面考慮，而在實(shí)際生產(chǎn)中需綜合考慮溫度、蠕變、壓力循環(huán)等對(duì)松弛的影響。針對(duì)在役反應(yīng)管取樣，通過試驗(yàn)分析確定殘余應(yīng)力松弛程度，再根據(jù)實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力水平校核反應(yīng)管的剩余疲勞壽命，以此來判定反應(yīng)器的安全性是目前公認(rèn)的比較可靠的評(píng)估手段。

文中對(duì)已經(jīng)服役17年，材料為AISI4333 M4的聚乙烯超高壓反應(yīng)管的剩余殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)定，對(duì)其衰減規(guī)律進(jìn)行了初步分析和研究，并核算了管道的剩余疲勞壽命，為安全評(píng)估的結(jié)論提供了有力支持。

1 剩余殘余應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)試及衰減規(guī)律分析

反應(yīng)管試樣材料AISI4333 M4，設(shè)計(jì)內(nèi)徑40 mm，外徑88 mm;實(shí)測(cè)內(nèi)徑40.30 mm，外徑85.20 mm。反應(yīng)管正常運(yùn)行壓力235～245 MPa，溫度10～70℃;開停車時(shí)溫度0～90℃。設(shè)備初始自增強(qiáng)壓力687 MPa，所取試樣管段已連續(xù)運(yùn)行17年。利用Sachs的內(nèi)孔逐層鏜削應(yīng)力釋放法測(cè)試管道徑向不同厚度上的殘余應(yīng)變。各向殘余應(yīng)力初始理論值和試驗(yàn)測(cè)量值之間的關(guān)系如圖1～3所示。

圖1 周向殘余應(yīng)力初始理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖1示出殘余應(yīng)力的衰減導(dǎo)致周向應(yīng)力峰值點(diǎn)由壁厚的24.67%偏移至77.11%，軸向應(yīng)力峰值點(diǎn)由24.67%偏移至77.11%。

取理論計(jì)算所得的初始自增強(qiáng)殘余應(yīng)力和本次實(shí)測(cè)的自增強(qiáng)殘余應(yīng)力進(jìn)行比較，可知經(jīng)過17年的運(yùn)行使用，其內(nèi)壁的周向殘余應(yīng)力衰減了18.0%。

圖2 軸向殘余應(yīng)力初始理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖3 徑向殘余應(yīng)力初始理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖1，2中周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的峰值所在位置對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為超應(yīng)變度，可以看出，經(jīng)過17年的使用后，反應(yīng)管的超應(yīng)變度變大，彈塑性交界面沿徑向向外擴(kuò)張。這是因?yàn)樽栽鰪?qiáng)厚壁管的殘余應(yīng)力松弛是在總應(yīng)變不變的情況下，彈性應(yīng)變或者一部分非彈性應(yīng)變向塑性應(yīng)變的轉(zhuǎn)變緩解約束引起的。

按制造工藝厚壁管制造過程中，在自增強(qiáng)處理后應(yīng)進(jìn)行熱處理，該處理會(huì)使得初始?xì)堄鄳?yīng)力有所下降［8］，故反應(yīng)管的初始?xì)堄鄳?yīng)力應(yīng)小于理論計(jì)算值，也即實(shí)際的自增強(qiáng)殘余應(yīng)力衰減應(yīng)低于18.0%，按18.0%的衰減估算得到的平均衰減率進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核是偏安全的。

2 殘余應(yīng)力衰減規(guī)律分析

圖4示出周向殘余應(yīng)力衰減曲線為V字形，從內(nèi)壁到新的彈塑性交界面處仍保持線性分布，但斜率小于初始?xì)堄鄳?yīng)力，在新彈塑性交界處，殘余應(yīng)力的衰減曲線處于拐點(diǎn)。從內(nèi)壁到原彈塑性交界面，殘余應(yīng)力的衰減近似呈單調(diào)減變化;從舊彈塑性交界面到新彈塑性交界面，殘余應(yīng)力衰減近似呈單調(diào)增變化。對(duì)國內(nèi)學(xué)者［3－4］測(cè)得服役11年超高壓乙烯反應(yīng)管的軸向殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其衰減曲線同為V字形，見圖5。

圖4 周向殘余應(yīng)力沿壁厚方向衰減曲線

圖5 服役11年超高壓乙烯反應(yīng)管周向殘余應(yīng)力沿壁厚方向衰減曲線

3 殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響

自增強(qiáng)殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的提高有積極意義，在使用過程中殘余應(yīng)力不斷衰減，要判定反應(yīng)管是否滿足繼續(xù)運(yùn)行的要求，重新校核反應(yīng)管的剩余疲勞壽命尤為重要。圖6示出了平常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)反應(yīng)管在初始條件、現(xiàn)行條件及10年后3種情形下沿壁厚方向的當(dāng)量應(yīng)力幅值。表1－3列出了反應(yīng)管初始疲勞強(qiáng)度、現(xiàn)行條件下的疲勞強(qiáng)度及10年后疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

圖6 反應(yīng)管沿壁厚方向的當(dāng)量應(yīng)力幅值變化曲線

表1 反應(yīng)管初始疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表2 現(xiàn)行條件下疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表3 10年后疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖6示出隨著服役時(shí)間的增加，反應(yīng)管沿壁厚方向的當(dāng)量應(yīng)力幅值的變化規(guī)律類似殘余應(yīng)力衰減規(guī)律，呈V字形。由表1，2可以看出，殘余應(yīng)力衰減后在運(yùn)行條件不變的情況下，內(nèi)壁應(yīng)力水平有提高，剩余疲勞壽命減少，但仍然滿足設(shè)計(jì)條件要求的疲勞壽命。按照平均腐蝕速率和殘余應(yīng)力平均衰減速度計(jì)算壁厚和剩余殘余應(yīng)力，核算10年后的疲勞強(qiáng)度，由表3可以確定，設(shè)備在現(xiàn)有的運(yùn)行條件下可安全運(yùn)行10年。

4 結(jié)語

自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的衰減是多種因素的共同作用，研究殘余應(yīng)力的衰減對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行有重要的意義。超高壓反應(yīng)管的剩余殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果表明，內(nèi)壁殘余應(yīng)力在使用過程中衰減幅度比較大，殘余應(yīng)力衰減曲線和當(dāng)量應(yīng)力幅值沿壁厚方向成V字形態(tài)。相關(guān)研究指出［3，7－8］，自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的衰減速率呈遞減趨勢(shì)，使用平均衰減速率評(píng)定管道的安全性是偏保守的。

超高壓反應(yīng)管經(jīng)過17年的運(yùn)行，殘余應(yīng)力衰減了18.0%，但反應(yīng)管的剩余疲勞壽命仍可保證設(shè)備安全運(yùn)行，在現(xiàn)行條件下，設(shè)備可安全運(yùn)行10年。

殘余壓應(yīng)力可大大提高反應(yīng)管內(nèi)壁疲勞性能，對(duì)內(nèi)壁裂紋的萌生及擴(kuò)展有很好的抑制作用，但自增強(qiáng)產(chǎn)生的外壁殘余拉應(yīng)力對(duì)外壁裂紋的擴(kuò)展有促進(jìn)作用。大量的學(xué)者對(duì)外壁帶缺陷的自增強(qiáng)反應(yīng)管的疲勞壽命研究表明，外壁裂紋在內(nèi)壓和自增強(qiáng)雙重作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展，疲勞壽命大大降低，王志群［9］等給出了“不同自增強(qiáng)厚壁筒的外表面臨界裂紋深度和疲勞壽命”的計(jì)算公式。因此在設(shè)備運(yùn)行過程中僅僅關(guān)注內(nèi)壁裂紋還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，對(duì)外壁裂紋的監(jiān)控預(yù)防是保證設(shè)備安全運(yùn)行的必不可少條件之一。

［1］潘秉智.在役自增強(qiáng)反應(yīng)管殘余應(yīng)力松弛規(guī)律試驗(yàn)研究［J］.壓力容器，1994，11(5):43 －51.

［2］劉康林.超高壓聚乙烯管安全評(píng)定［J］.石油化工設(shè)備，2001，30(6):1 －4.

［3］柳增典，包行方，朱磊.自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的衰減規(guī)律和若干在役反應(yīng)管安全性問題的分析［R］.合肥:合肥通用機(jī)械研究院，1991.

［4］柳增典，包行方，朱磊.超高壓聚乙烯管式反應(yīng)器安全性分析與評(píng)定［R］.合肥:合肥通用機(jī)械研究院，1991.

［5］黃小平.自增強(qiáng)厚壁管內(nèi)壁殘余應(yīng)力無損測(cè)量方法研究［J］.石油機(jī)械，2002，30(7):41 －44.

［6］劉康林.高壓聚乙烯反應(yīng)管自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的無損檢測(cè)［J］.中國機(jī)械工程，2001，12(9):983 －985.

［7］吳旭.自增強(qiáng)殘余應(yīng)力衰減規(guī)律的試驗(yàn)研究［J］.壓力容器，1988，5(5):2 －6.

［8］邵國華.超高壓容器［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［9］王志群，查子初.不同自增強(qiáng)厚壁筒的外表面臨界裂紋深度的疲勞壽命［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1989，10(2):2－7.