多裂纹相互作用及对其主蒸汽管道强度影响研究

易志波

浙江国华余姚燃气发电有限责任公司 浙江省 315400

摘要：由于主蒸汽管道内部压力和工作温度非常高,尤其是大型电站锅炉运行参数接近材料允许温度极限和连续运行了很长时间,所以一旦主蒸汽管道裂纹将尽快处理,实际操作的主蒸汽管不能停止在任何时间,分析了裂纹的影响主蒸汽管的强度。

关键词：主蒸汽管道；裂纹强度；数值模拟；

裂纹是主蒸汽管道上常见一种缺陷，其对主蒸汽管道的安全运行有很大影响，有必要分析其对管道强度的影响。采用数值模拟方法对含有裂纹主蒸汽管进行分析，得到不同长度、深度及多个不同位置裂纹间相互作用主蒸汽管道强度的影响。

一、单个裂纹对直管段的影响

不同尺寸的单个裂纹对直管段强度的影响是不同的即裂纹长度深度不同造成的管道相应位置的应力集中情况是不同。不同长度深度的裂纹对管道承受载荷能力的削弱程度也不相同。相同的裂纹在不同载荷条件下其对主蒸汽管道的影响不同。分别以深度为10mm的裂纹和长度为50mm裂纹作为分析对象，分析裂纹深度和长度对直管段强度的影响。

1.裂纹端部的最大应力随着裂纹长度的增加不断增大。裂纹长度小于50mm时，裂纹端部应力随着裂纹长度增加的速度快，此时裂纹端部最大应力对裂纹长度比较敏感。由此可知裂纹在长度与深度之比小于5时，裂纹扩展的趋势比较明显。当裂纹长度大于50mm时，端部最大应力对裂纹长度不敏感即裂纹长度与深度之比大于5时裂纹扩展的可能性大大降低。裂纹底部最大应力即为裂纹周围的最大应力。当裂纹长度与深度之比小于15时，随着裂纹长度的增加裂纹周围的最大应力逐渐增大。当裂纹长度与深度之比大于l 5时，裂纹上的最大应力基本保持不变即长度对裂纹上最大应力的影响几乎可以忽略。在裂纹长度小于等于l0mm时，端部最大应力大于底部最大应力，由此可知当裂纹长度与深度之比小于等于1时，裂纹扩展的趋势非常明显。最小应力随裂纹长度的增加逐渐减小。

2.裂纹的长度越大裂纹周围的最大应力值也越高，无裂纹直管段外表面的最大应力为29.5MPa，存在缺陷直管段上最大应力为62.49～130.1MPa，缺陷使直管段外表面应力增大了2.12～4．41倍。随着裂纹长度的增加裂纹端部与裂纹底部应力最大值之差逐渐增大。裂纹底部中心位置应力最大，自裂纹底部中心位置到裂纹底部端部为应力逐渐减小且裂纹的长度越长应力变化梯度越大。图3.裂纹端部的最大应力随着裂纹长度的增加不断增大。裂纹长度小于75mm时，裂纹端部应力为最大应力且随着裂纹长度的增大端部应力逐渐增大，裂纹底部应力小于裂纹端部应力随着裂纹长度的增加二者差值逐渐减小。当裂纹长度大于75mm时，裂纹底部最大应力为最大应力，随着裂纹长度的增加裂纹上最大应力基本保持不变，裂纹端部的最大应力小于裂纹底部，随着裂纹的长度的增加其值也基本保持不变。裂纹周围的最小应力随着裂纹长度的增加逐渐减小，当裂纹长度大于75mm时最小应力随着裂纹长度的增加最小应力值基本保持不变，其最大应力差为0.51MPa。当裂纹长度大于等于50mm时，裂纹端部的最大应力增加的幅度非常小，其应力最大差值为10.7MPa。

裂纹的长度越大裂纹周围的最大应力值也越高，无裂纹直管段内表面的最大应力为70．78MPa，存在缺陷直管段上最大应力为133.8～234.0MPa，缺陷使直管段外表面应力增大了1.89～3.31倍。随着裂纹长度的增加裂纹长度方向应力的变化梯度逐渐减小，裂纹的长度越长裂纹长度方向应力的分布与均匀，裂纹扩张的趋势就越弱。

长度为50mm的裂纹随着裂纹深度的增大裂纹端部的最大应力即为裂纹上的最大应力。随着裂纹深度的增大裂纹底部最大应力也逐渐增大，其增大的幅度和趋势与裂纹端部基本相同，应力增大的最大差值为113．2MPa。裂纹底部上的最小应力随着裂纹深度的增大逐渐增大。

5.裂纹的长度越大裂纹周围的最大应力值也越高，无裂纹直管段外表面的最大应力为29.5MPa，存在缺陷直管段上最大应力为77.88～191.1MPa，缺陷使直管段外表面应力增大了2.64～6.48倍。裂纹的长度深度之比越大裂纹在长度方向应力的分布越均匀，此时裂纹扩展的可能性也越小。裂纹的长度和深度之比越小裂纹长度方向的应力分布越不均匀，裂纹发生扩展的可能性越大。裂纹长度与深度之比越大，裂纹在宽度方向的产生的最小应力相应也越小，长度和宽度方向上的应力梯度越大。

6.裂纹上端部最大应力为裂纹上的最大应力。当裂纹长度与深度之比大于5时，裂纹底部和端部最大应力之差不大，应力在裂纹长度方向分布比较均匀。当裂纹长度与深度之比小于5时，裂纹端部和底部的应力都随着深度的增大而增大，但端部和底部最大应力之差也逐渐增大。裂纹端部应力大于底部的最大应力。裂纹上的最小应力随着裂纹深度的增大最小应力在范围内波动，最大应力差值为3．05MPa，最小应力位于裂纹宽度中部靠近裂纹边缘的区域内。

7.裂纹深度越大裂纹周围的最大应力值也越高，无裂纹直管段内表面的最大应力为70.78MPa，存在缺陷直管段上最大应力为152.9～297.2MPa，缺陷使直管段外表面应力增大了2.16～4.21倍。当裂纹长度和深度之比大于8.33时，裂纹底部和端部应力分布比较均匀，其应力变化梯度比较小，此时裂纹向深度和长度方向扩展的可能均比较小。当裂纹的长度和深度之比大8.33时候，裂纹端部和底部应力的梯度值比大，端部最大值为底部最大的1.37—2.19倍，此时裂纹出现扩张的可能性比较大。

二、两个裂纹对直管段的影响

1.以深度为l0mm长度为50mm裂纹作为分析对象，分析裂纹间间距对直管段强度的影响。当裂纹间间距小于等于16mm时，裂纹端部相邻位置最大应力随着裂纹间间距的增大其最大应力逐渐减小。当裂纹问间距大于16mm时，裂纹相邻位置最大应力在一定范围内波动，其最大应力差为4.3MPa。此时裂纹端部相邻和非相邻位置处最大应力基本相同，说明当缺陷间间距大于16mm时，裂纹间的应力的叠加效应基本消失。裂纹底部和裂纹端部非相邻位置最大应力随裂纹间间距的增大在一定范围内波动，其最大应力之差分别为5.8MPa和4.4MPa。裂纹上最小应力随着裂纹间间距的增大逐渐有微小的增大，最小应力位于裂纹长度方向中间位置裂纹边缘。

2.裂纹间间距越大裂纹周围的最大应力值也越小无裂纹直管段外表面的最大应力为29.5MPa，存在缺陷直管段上最大应力为105.8～158.6MPa，缺陷使直管段外表面应力增大了3.58～5.37倍。随着裂纹间间距的增大裂纹间相互影响逐渐减弱，裂纹间间距大于等于16mm时，两裂纹的中间位置应力最大为30.15MPa，略大于无缺陷直管段外表面上应力29.5MPa，由此可知裂纹间间距大于等于16mm时裂纹间的相互作用可以忽略。

裂纹相邻位置最大应力随着裂纹间距的增大逐渐减小，当裂纹间距大于等于16mm时裂纹相邻位置的最大应力在一定范围内波动，最大应力差为5.4MPa。裂纹底部和裂纹端部非相邻位置的最大应力随着裂纹间距的增大在一定范围内波动，最大应力差分别为7．1MPa和10．5MPa。当裂纹间距大于等于16mm时裂纹相邻位置非相邻位置裂纹底部应力的变化趋势基本相同，基本不受裂纹间距的影响。裂纹上的最小应力基本不随裂纹间距发生变化。

4.裂纹间间距越大裂纹周围的最大应力值也越小，无裂纹直管段内表面的最大应力为70.78MPa，存在缺陷直管段上最大应力为212.9～294.9MPa，缺陷使直管段外表面应力增大了3.01一4.16倍。随着裂纹间间距的增大裂纹间相互影响逐渐减弱，裂纹间间距大于等于16mm时，两裂纹的中间位置应力最大为87.42MPa，略大于无缺陷直管段外表面上应力70.78MPa，由此可知裂纹间间距大于等于16mm时裂纹间的相互作用可以忽略。

总之，对于含有单个裂纹的主蒸汽管道，当裂纹长度和深度之比在某一值时，裂纹向长度方向和深度方向扩展的可能都很小，此时裂纹是最稳定状态，此时裂纹对管道强度的削弱作用最小。对含有两个裂纹的主蒸汽管道，随着裂纹间间距的增大，裂纹间的应力叠加效应逐渐减弱，但间距大于某一确定值时裂纹间的相互影响可以忽略，对确定尺寸的两个裂纹其间距的确定值是一定的。

参考文献：

黄秀．基于有限元法的内部裂纹管道应力分析．2018．

[2]张芳，多裂纹相互作用及对其主蒸汽管道强度影响.2019.