專利名稱：一種應(yīng)對工業(yè)管道因熱應(yīng)力引起反復(fù)斷裂的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)管道斷裂故障的量化分析、應(yīng)對及預(yù)防方法，尤其涉及應(yīng)對 工業(yè)管道因溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力引起反復(fù)斷裂的方法。
背景技術(shù)：
實踐生產(chǎn)中，某些諸如煉鐵高爐的系統(tǒng)回水干管運行時，經(jīng)常發(fā)生原因不明的頻 繁斷裂現(xiàn)象?，F(xiàn)場維修人員隨經(jīng)多方努力，仍然無法控制斷裂事件的不斷出現(xiàn)。斷裂故障 的頻繁高發(fā)且無預(yù)兆性，導(dǎo)致高爐的生產(chǎn)秩序受到嚴(yán)重干擾。為此對管道斷裂的原因進行 了科學(xué)的分析，在排除了承載時的環(huán)向、縱向應(yīng)力和運行介質(zhì)對管道施加的拉應(yīng)力導(dǎo)致管 道斷裂的情形下，通過近四個月時間的現(xiàn)場跟蹤觀察，統(tǒng)計歸納了破斷事件與高爐生產(chǎn)之 間的關(guān)聯(lián)因素及斷裂事件的共性規(guī)律，最后得出看到管道頻繁破斷的主導(dǎo)因素是溫差導(dǎo)致 的熱應(yīng)力。但現(xiàn)有技術(shù)并沒有對于這種工業(yè)管道斷裂故障，給出系統(tǒng)的量化分析、判定技術(shù) 程序。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述技術(shù)問題，所要解決的是為現(xiàn)場提供一種工業(yè)管道因溫差因素 導(dǎo)致的熱應(yīng)力反復(fù)斷裂的應(yīng)對方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案，
一種應(yīng)對工業(yè)管道因熱應(yīng)力引起反復(fù)斷裂的方法，其特征在于，包括如下步驟 A、測試管道應(yīng)力并判定應(yīng)力方向；
B、測算管道應(yīng)力幅度；
C、判定管道承載應(yīng)力的能力；
D、計算管道應(yīng)力補償，安裝補償器。在上述步驟A測試管道應(yīng)力并判定應(yīng)力方向，包括如下步驟
(1).在涉案的管段上，確定應(yīng)力釋放點，以釋放點為中心，向管段兩端各外延廣2M的 距離做動點標(biāo)記Bd，對應(yīng)管道的動點標(biāo)記，設(shè)置固定參照點標(biāo)記Bj ；
(2).在已設(shè)好標(biāo)記的管段內(nèi)，選取適當(dāng)長度管道Bf，對管道進行切割、截斷，并抽出切 割段，使管道內(nèi)業(yè)已存在的應(yīng)力得到釋放；
(3).對切割后的管道兩動點進行長度測量，得到應(yīng)力釋放后的動點間距Bd值，利用測 得的新Bd值，與對應(yīng)的固定參照點距離B」值進行比較；
(4).根據(jù)比較結(jié)果，確認(rèn)管道的應(yīng)力方向； 若Bd值< B」值管道承受膨脹壓應(yīng)力；
若Bd值> B」值管道承受收縮拉應(yīng)力； 若Bd值=B^值管道不存在應(yīng)力載荷。對于上述步驟B測算管道應(yīng)力幅度時，包括如下步驟
(1).根據(jù)動、定點長度差b的絕對值，求算涉案直管段的應(yīng)變伸縮率ε，ε =b/L= I Bd - Bj I /L ； 其中L為涉案直管段兩固定支座間的距離，
(2).利用管道材料彈性模量(E=σ s/ ε )的線性關(guān)系式，計算該段管道在非載荷狀態(tài) 時的原始應(yīng)力強度σ i ；
σ J=EX ε
其中涉案管道材料的彈性模量E值，可由相關(guān)工程材料手冊查得，
(3).以涉案的直管段長度L為基準(zhǔn)，根據(jù)管道的系統(tǒng)溫差區(qū)間Τ，利用該管道材料的 線膨脹系數(shù)α值，計算直管段的最大脹、縮區(qū)間δ L值
δ L=LX α XT
其中管道材料的線膨脹系數(shù)α值，可由相關(guān)工程材料手冊查得，
(4).根據(jù)計算的最大脹、縮區(qū)間δL值，求算該直管段的溫差應(yīng)變延伸率
ε L = δ L/L
(5).仍然利用管道材料的彈性模量E=。s/ε的關(guān)系式，計算管道運行狀態(tài)下的溫差 應(yīng)力值σ 2,此時，ε = ε L值，
σ 2=ΕΧ ε L
(6).計算管道在非載荷狀態(tài)下的總應(yīng)力值
0 3= 0 1+ 0 2
(7).根據(jù)管道運行壓力P值，求算其運行拉應(yīng)力O[值； Ol= (P*D)/ (4*S*<ji)
注P—流體壓強(kg/cm2) ； D—管道內(nèi)徑(cm); S—管道壁厚(cm) ； Φ—輝縫比強度系數(shù)，現(xiàn)場焊時，取0. 75、. 8 ；
(8).計算此前對管道造成破壞的匯總應(yīng)力值；
σ ρ σ 3+ σ L
(9).計算管道原始應(yīng)力得到釋放后的系統(tǒng)剩余應(yīng)力Qx值；
σ =Ou_ O1
χ H1。對于上述步驟C判定管道承載應(yīng)力的能力時，包括下列步驟 (1).比較系統(tǒng)剩余應(yīng)力σ χ與涉案管道材料的安全許用應(yīng)力〔O〕；
當(dāng)σχ<〔 σ〕，表明管道的應(yīng)力水平，在材料的安全允許范圍；導(dǎo)致管道斷裂破 壞的原因，應(yīng)為管道的環(huán)焊縫未達到客觀需求的焊接工藝質(zhì)量。此情況下，應(yīng)嚴(yán)格核對或修 正焊接工藝技術(shù)規(guī)范，對相關(guān)環(huán)焊縫重新執(zhí)行焊接工藝，
當(dāng)ο χ >〔 ο〕;表明管道的應(yīng)力水平，已經(jīng)達到或超越材料的安全允許范圍；此情況下， 必須對該管段采取應(yīng)力補償措施，
其中對于相關(guān)材料的安全許用應(yīng)力〔ο〕值，可在各種工程類材料手冊中查取。其具體 應(yīng)用時，選取要領(lǐng)如下
a.在手冊中查出相關(guān)材料的抗拉強度Ob值；屈服強度Os值；
b.取抗拉強度安全系數(shù)nb=3；屈服強度安全系數(shù)ns=l. 6 ；
c.選取〔σ〕值以下面括號中的較低值者為取用值；〔σ〕=〔 ob/nb ； σ s/ns) Min。對于上述步驟D計算管道應(yīng)力補償及安裝補償器包括如下步驟(1).設(shè)定補償器脹、縮距離
根據(jù)計算的管道最大脹、縮區(qū)間SL=LX α XT，對補償器設(shè)定預(yù)置脹、縮距離。其具體 作業(yè)程序如下
a.測量作業(yè)時段的管道環(huán)境溫度t，以t為計算基點； b.以運行時最高溫度tg；最低溫度td ；最大溫差區(qū)間值T=tg — td ；為計算參數(shù)，分別計
算
管段膨脹預(yù)留量zL (1) zL= δ LX (tg - t)/T 管段收縮預(yù)留量sL②
sL= δ LX (t — td)/T
(2).安裝、連接補償器
a.依據(jù)補償器(6)的實際安裝距離，以伸縮套法蘭(3)內(nèi)端面向外拉伸至少IOOmm后， 做為補償器的實際安裝長度，確定管道的最終截取長度；
b.以法蘭連接形式，完成管道與補償器的外端連接；
c.根據(jù)計算的zL(l)、sL (2)預(yù)設(shè)值，在完成連接的管道及補償器上，調(diào)整補償器定 距拉桿的(4)定位螺母，并以雙螺母(5)緊固方式，完成最終定位。本發(fā)明的有益效果是，能科學(xué)、準(zhǔn)確的判斷分析工業(yè)管道因溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力導(dǎo) 致的多次反復(fù)的原因，使現(xiàn)場對管道斷裂現(xiàn)象的分析、判定由傳統(tǒng)的經(jīng)驗判斷方式，轉(zhuǎn)變?yōu)?數(shù)據(jù)形式的定量分析判定方式，并提出了實用的解決方案。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體說明。圖1為本發(fā)明管道動點標(biāo)記和靜點參照標(biāo)記設(shè)置示意圖 圖2為本發(fā)明補償器調(diào)整、定位示意圖。具體實施例
在武鋼6 # 8 #高爐INBA系統(tǒng)管管道斷裂修復(fù)中，應(yīng)用了本發(fā)明涉及的技術(shù)方案。如圖1，在該涉案管道的頻繁斷裂區(qū)域，取兩固定支座間跨度為35米的直管段中 點，為應(yīng)力釋放點；以該點為中心標(biāo)記，分別向兩側(cè)各延長1米，做為兩點動點標(biāo)記Bd，間隔 為2米；在兩動點標(biāo)記垂直對應(yīng)的地坪上，設(shè)置靜點參照標(biāo)記B」。在動點標(biāo)記區(qū)間內(nèi)，選取 適當(dāng)長度的管段Bf，進行切斷并抽出后，經(jīng)測量得到了動點對靜點向內(nèi)位移的事實，其總量 為7mm的向內(nèi)延伸量(命名為AL1X據(jù)此可確認(rèn)，此前該段管道在系統(tǒng)內(nèi)無論荷載與否，始 終在AL1的作用下處于膨脹、受反壓狀態(tài)。根據(jù)該段管道為35000mm的總長度，其在無負(fù) 載狀態(tài)下的變形率為
ε Δ L1/L=7mm/35000mm=2 X 10_4 ；
即對該段管道形成了萬分之二的正延伸率。故此，該管道在無負(fù)荷狀態(tài)時，已經(jīng)承受了 形變應(yīng)力。借助材料彈性模量E值(E= σ s/ ε )的線性特點，結(jié)合管道的時效延伸率ε工，不難 求算出該管道在沒有承載任何負(fù)荷時的時效應(yīng)力值σ工；σ1=EXε1
=2.lX106kg/cm2X2Xl(T4 =420kg/cm2
通過計算，求出了該段管道在無負(fù)荷狀態(tài)下的常態(tài)應(yīng)力值σ ”比照運行中流體介質(zhì)對 管道施加的25kg/cm2縱向應(yīng)力值，420kg/cm2時效應(yīng)力值是其幅度的17倍，其破壞性能量 已經(jīng)消耗了管道材料1143kg/cm2許用強度的37%。運行條件下的熱應(yīng)力σ 2計算
由前面的運行溫差簡介，我們可選擇該管道在一般運行條件下由20°C升至80°C的溫 度區(qū)間(T2=60°C)，分別求算其熱膨脹延伸值Δ L2、彈性變形率ε 2、熱膨脹應(yīng)力 AL2=LX α XT2 ( α —該管材的線膨脹系數(shù)13. 5Χ10—6) =35000mmX13. 5 X IO-6X 60°C =28mm ； 在此溫差作用下的彈性變形率ε 2為 ε 2= Δ L2/L=28mm/35000mm=8 X 1(Γ4 ； 既有萬分之八的溫差延伸率。管道在此溫差區(qū)間內(nèi)，所產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力值σ 2為
σ 2=ΕΧ ε 2
=2. lX106kg/cm2X8Xl(T4 =1680kg/cm2 ； 管道承載總應(yīng)力σ 3
熱應(yīng)力O2疊加該管系的常態(tài)應(yīng)力值O1,共同作用于管道；此時，該管道承載的總應(yīng)力
為
0 3= 0 1+ 0 2
=420kg/cm2+1680kg/cm2 =2100kg/cm2
這一應(yīng)力值，已經(jīng)遠(yuǎn)高于管道材料1143kg/cm2的安全許用強度。此時，再對處于薄弱環(huán) 節(jié)的焊縫進行補強已經(jīng)沒有意義；對該系統(tǒng)進行應(yīng)力釋放及應(yīng)變補償是唯一的可行方案。應(yīng)力釋放及應(yīng)變補償方案的技術(shù)實施，包括
根據(jù)管道運行的極限溫差為T1=SCTC的溫度變動區(qū)間，其最大縱向延伸距離AL應(yīng)為 AL=LX α XT1=SSOOOmmX 13. 5 X IO-6X 80=38mm
考慮到設(shè)置補償器的時間在五月上旬，現(xiàn)場環(huán)境溫度在攝氏28°C左右，因此將38mm的 伸縮區(qū)間依據(jù)溫度比例，分割為兩段定位區(qū)間； 膨脹端 zLl 38mmX (80—28) /80=25mm 收縮端 sL2 38mm X 28/80=13mm 現(xiàn)場操作，如圖2所示
Α.依據(jù)補償器6的安裝距離，以伸縮套法蘭3內(nèi)端面向外拉伸IOOmm后，做為補償器 的安裝長度，切割管道、抽取中間段；
B.對管道兩端頭安裝法蘭。一端法蘭施焊固定，一端套于管道待焊；
C.加裝補償器6。先連接已施焊固定的法蘭，再連接未施焊的法蘭；對連接后的法蘭 最后完成施焊，管道恢復(fù)連接；D.以管道法蘭和補償器法蘭的端面，分別為收縮端和膨脹端的定位基準(zhǔn)面，經(jīng)調(diào)整補 償器的定距螺桿4并測量確認(rèn)后，以雙螺母5背緊、完成最終定位。
該管道利用高爐定修機會，主動切斷，釋放其系統(tǒng)內(nèi)的時效應(yīng)力σ工、并設(shè)置應(yīng)力補 償元件后，其系統(tǒng)至今運行穩(wěn)定，工況理想。最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡 管參照較佳實例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā) 明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵 蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種應(yīng)對工業(yè)管道因熱應(yīng)力引起反復(fù)斷裂的方法，其特征在于，包括如下步驟A、測試管道應(yīng)力并判定應(yīng)力方向； B、測算管道應(yīng)力幅度； C、判定管道承載應(yīng)力的能力； D、計算管道應(yīng)力補償，安裝補償器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)對工業(yè)管道因熱應(yīng)力引起反復(fù)斷裂的方法，其特征在于， 在步驟A測試管道應(yīng)力并判定應(yīng)力方向時，包括如下步驟(1).在涉案的管段上，確定應(yīng)力釋放點，以釋放點為中心，向管段兩端各外延廣2M的 距離做動點標(biāo)記Bd值，對應(yīng)管道的動點標(biāo)記，設(shè)置固定參照點標(biāo)記Bj值；(2).在已設(shè)好標(biāo)記的管段內(nèi)，選取適當(dāng)長度管道Bf，對管道進行切割、截斷，并抽出切 割段；(3).對切割后的管道兩動點進行長度測量，得到應(yīng)力釋放后的動點間距Bd值，利用測 得的新Bd值，與對應(yīng)的固定參照點距離B」值進行比較；(4).根據(jù)比較結(jié)果，確認(rèn)管道的應(yīng)力方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)對工業(yè)管道因熱應(yīng)力引起反復(fù)斷裂的方法，其特征在于， 在步驟B測算管道應(yīng)力幅度時，包括如下步驟(1).根據(jù)動、定點長度差b的絕對值，求算涉案直管段的應(yīng)變伸縮率ε， ε =b/L= I Bd - Bj I /L其中L為涉案直管段兩固定支座間的距離；(2).利用管道材料彈性模量的線性關(guān)系式，計算該段管道在非載荷狀態(tài)時的原始應(yīng) 力強度O1, σ χ=ΕΧ ε其中涉案管道材料的彈性模量E值，可由相關(guān)工程材料手冊查得，(3).以涉案的直管段長度L為基準(zhǔn)，根據(jù)管道的系統(tǒng)溫差區(qū)間Τ，利用該管道材料的 線膨脹系數(shù)α值，計算直管段的最大脹、縮區(qū)間δ L值δ L=LX α XT其中管道材料的線膨脹系數(shù)α值，可由相關(guān)工程材料手冊查得，(4).根據(jù)計算的最大脹、縮區(qū)間δL值，求算該直管段的溫差應(yīng)變延伸率ε L = δ L/L(5).仍然利用管道材料的彈性模量E=。s/ε的關(guān)系式，計算管道運行狀態(tài)下的溫差 應(yīng)力值σ 2,此時，ε = ε L值， σ 2=ΕΧ ε L(6).計算管道在非載荷狀態(tài)下的總應(yīng)力值0 3= 0 1+ 0 2(7).根據(jù)管道運行壓力P值，求算其運行拉應(yīng)力O[值； Ol= (P*D)/ (4*S*<ji)其中P—流體壓強(kg/cm2)，D—管道內(nèi)徑(cm)， S—管道壁厚(cm)，Φ —輝縫比強度系數(shù)，取0.75、. 8 ；(8).計算此前對管道造成破壞的匯總應(yīng)力值；σ η= σ 3+ σ L(9).計算管道原始應(yīng)力得到釋放后的系統(tǒng)剩余應(yīng)力Qx值；<formula>formula see original document page 3</formula>
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)對工業(yè)管道因熱應(yīng)力引起反復(fù)斷裂的方法，其特征在于， 在步驟C判定管道承載應(yīng)力的能力時，包括如下步驟(1).比較系統(tǒng)剩余應(yīng)力σ χ與涉案管道材料的安全許用應(yīng)力〔σ〕； 當(dāng)σχ<〔 σ〕，表明管道的應(yīng)力水平，在材料的安全允許范圍； 當(dāng)σ χ >〔 σ〕，表明管道的應(yīng)力水平，已經(jīng)達到或超越材料的安全允許范圍；此情況 下，必須對該管段采取應(yīng)力補償措施，其中對于相關(guān)材料的安全許用應(yīng)力〔ο〕值，可在各種工程類材料手冊中查取，選取要 領(lǐng)如下a.在手冊中查出相關(guān)材料的抗拉強度Ob值，屈服強度Os值；b.取抗拉強度安全系數(shù)nb=3；屈服強度安全系數(shù)ns=l. 6 ；c.選取〔σ〕值以下面括號中的較低值者為取用值； 〔σ〕=〔 ob/nb ； σ s/ns) Min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止工業(yè)管道因熱應(yīng)力引起反復(fù)斷裂的方法，其特征在于， 在步驟D計算管道應(yīng)力補償及安裝補償器時，包括如下步驟(1).設(shè)定補償器脹、縮距離根據(jù)計算的管道最大脹、縮區(qū)間SL=LX α XT，對補償器⑥設(shè)定預(yù)置脹、縮距離，其具 體作業(yè)程序如下a.測量作業(yè)時段的管道環(huán)境溫度t，以t為計算基點；b.以運行時最高溫度tg；最低溫度td ；最大溫差區(qū)間值T=tg — td ；為計算參數(shù)，分別計算管段膨脹預(yù)留量zL (1) zL= δ LX (tg - t)/T 管段收縮預(yù)留量sL⑵sL= δ LX (t — td)/T(2).安裝、連接補償器(6)a.依據(jù)補償器(6)的實際安裝距離，即以伸縮套法蘭(3)內(nèi)端面向外拉伸至少IOOmm 后，做為補償器(6)的實際安裝長度，確定管道的最終截取長度；b.以法蘭連接形式，完成管道與補償器(6)的外端連接；c.根據(jù)計算的zL(l)、sL(2)預(yù)設(shè)值，在完成連接的管道及補償器(6)上，調(diào)整補償器 定距拉桿(4)的定位螺母，并以雙螺母(5)緊固方式，完成最終定位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)對工業(yè)管道因熱應(yīng)力引起反復(fù)斷裂的方法，通過測試管道構(gòu)建過程中形成的原始變形程度，判定管道的應(yīng)力趨勢和量化其應(yīng)力水平；通過管道服役環(huán)境的最大溫差區(qū)間，判定涉案管段的極限伸縮率ε；利用材料彈性模量E的線性規(guī)律，分別量化涉案管段承受的各類應(yīng)力值和最大累計應(yīng)力強度σ；通過最大累計應(yīng)力強度σ和管道材料的允許使用強度〔σ〕的對比，判定涉案管段的安全與否，并最終提供可以度量的補強方案或應(yīng)力補償方案。本發(fā)明的有益效果是，使現(xiàn)場對管道斷裂現(xiàn)象的分析、判定由傳統(tǒng)的經(jīng)驗判斷方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)形式的定量分析判定方式，并提出了實用的解決方案。
文檔編號C21B7/00GK101846242SQ20101018023
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者吳良玉, 孫光軍, 孫華, 陶銘鼎, 顏斌 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司