阅读说明：本技术 一种火电厂在役汽水管道焊缝三维应力计算方法 (Three-dimensional stress calculation method for weld joint of in-service steam-water pipeline of thermal power plant ) 是由 刘明 李海洋 白佳 乔立捷 陈志荣 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种火电厂在役汽水管道焊缝三维应力计算方法,属于管道应力分析技术范畴,基于火电厂汽水管道柔性设计特点及汽水管道结构受力特点,假定热膨胀引起的管道轴向位移在管系中被完全吸收、忽略扭矩作用引起的管道应力。以焊缝两端邻近的吊架吊点为起始端点,选取该包含目标焊缝的长直管段为研究对象,编制管道应力计算程序,通过高精度三向位移指示器获取两端吊点实际热位移数据,利用可视化界面将测试数据输入到计算程序中,得到焊缝截面任意位置的三维应力数据,也可计算最大应力所在位置。本发明具有测量、计算快捷方便,对操作人员要求低的优点,计算精度可以满足工程应用的需要,可以更好的指导现场检测工作的开展。(The invention discloses a method for calculating three-dimensional stress of a weld joint of an in-service steam-water pipeline of a thermal power plant, which belongs to the technical field of pipeline stress analysis. The method comprises the steps of taking hanger hoisting points adjacent to two ends of a welding line as starting end points, selecting a long straight pipe section containing a target welding line as a research object, compiling a pipeline stress calculation program, obtaining actual thermal displacement data of the hoisting points at the two ends through a high-precision three-way displacement indicator, inputting test data into the calculation program through a visual interface, obtaining three-dimensional stress data of any position of the section of the welding line, and calculating the position of the maximum stress. The invention has the advantages of rapid and convenient measurement and calculation and low requirement on operators, the calculation precision can meet the requirement of engineering application, and the development of field detection work can be better guided.)

一种火电厂在役汽水管道焊缝三维应力计算方法

技术领域

本发明涉及一种火电厂在役汽水管道焊缝三维应力计算方法，属于管道应力分析技术范畴，可以广泛应用于火电厂汽水管道系统及相关设备领域。

背景技术

管道应力水平是评判管道能否安全运行的重要指标，目前火电厂汽水管道在设计时一般采用简化梁模型进行计算(CAESAR II、AUTO PIPE等软件)，重点分析管系的柔性和整体应力水平，其应力分析结果和实际应力分布并不一致，一次应力只是持续载荷作用下的管道轴向应力，二次应力是位移载荷作用下的管道截面最大拉应力。通过常规设计文件均无法查询管道截面的详细三维应力分布情况，且在役管道的实际受力状况和理论设计状态可能还有差别。

管道焊缝是火电厂金属监督的重要对象，一旦发现在役管道焊缝内部存在缺陷或有材料性能退化，均需要根据该位置的实际受力状态进行安全性评估，同时焊缝实际应力状态也是进行在役管道寿命评估的重要参数。

目前只能采用有限元分析软件进行详细应力分析，计算过程较为繁琐、耗时长，且对操作人员的技术能力有一定要求，无法快速的应用于现场检测指导。

发明内容

本发明的目的在于克服现有火电厂在役管道焊缝应力计算中存在的上述不足，而提供一种操作简单、计算快捷、精度满足实际工程应用的在役汽水管道焊缝三维应力计算方法，通过高精度三向位移指示器获取吊点实际热位移数据，利用可视化界面将测试数据输入到计算程序中，即可得到焊缝截面任意位置的三维应力数据，也可计算最大应力所在位置。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种火电厂在役汽水管道焊缝三维应力计算方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：在需要详细分析直管段焊缝详细三维应力时，以焊缝两端邻近的吊架吊点为起始端点，选取该包含目标焊缝的长直管段为研究对象，测量吊点A端面至吊点B端面的长度L，以及吊点A端面至焊缝所在端面长度L₁，记录管道规格，外径为Do、壁厚为S，保温层厚度为t。

第二步：在吊点A端面及吊点B端面布置三向位移指示器，记录吊点A的热膨胀位移(x₁、y₁、z₁)，记录吊点B的热膨胀位移(x₂、y₂、z₂)。

第三步：采用Python语言编制“火电厂在役汽水管道焊缝三维应力计算系统”软件包，利用可视化界面的方式进行测量数据输入，并进行详细应力值的计算。应力计算公式如下：

环向应力(MPa)：

径向应力(MPa)：

水平管道轴向应力(MPa)：

竖直管道轴向应力(MPa)：

其中：r、θ为应力求解点在极坐标条件下的位置参数；D_o为管道外径(mm)；S为管道壁厚(mm)；L、L₁为管段长度(mm)；t为保温层厚度(mm)；(x₁、y₁、z₁)及(x₂、y₂、z₂)为两端吊点的热位移数值(mm)；D_i＝D_o-2S为管道内径(mm)；为管道截面惯性矩(mm⁴)；E为管道材料在工作温度下的弹性模量(MPa)；q＝24.6615×10^-2(D_o-S)S+4.7124×10^-2(D_o+t)t为中间计算参数。

第四步：根据上述应力求解公式，还可以计算焊缝截面轴向最大拉应力位置。计算公式如下：

对于水平管道：

对于竖直管道：

a＝x₂-x₁

b＝y₂-y₁。

优选的，基于火电厂汽水管道柔性设计特点，上述应力计算过程中假定热膨胀引起的管道轴向位移在管系中被完全吸收。

优选的，基于火电厂汽水管道结构受力特点，上述应力计算过程中不考虑扭矩作用引起的管道应力。

优选的，第二步中所述三向位移指示器应具有较高的读数精度，可采用机械式或光电式，读数误差应小于0.1mm。

优选的，在管道实际热膨胀正常的情况下，第二步中利用三向热膨胀指示器测得的吊点热膨胀位移也可以采用理论计算所得的吊点热位移数值。

优选的，第三步中所述求解方程的程序可以采用Python语言或者C、C++、Fortran等其他计算和语言进行编写。

优选的，该计算方法也可以应用于直管段任意截面的三维应力计算。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：(1)可以获得焊缝截面任意位置的三维应力，以及最大应力所在位置，可以更好的指导现场检测工作的开展；(2)测量、计算快捷方便，对操作人员要求低。

附图说明

图1是本发明实施例中水平管道测试数据示意图。

图2是本发明实施例中竖直管道测试数据示意图。

图3是本发明实施例中火电厂在役汽水管道焊缝三维应力计算软件界面图。

图4是本发明实施例中在θ＝130°处各径向位置的应力计算结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1-图3，某660MW超超临界火电机组主蒸汽管道在检修过程中，发现其水平管段上的一组焊缝内部存在线性缺陷，采用本实施例中的火电厂在役汽水管道焊缝三维应力计算方法进行缺陷位置处的三维应力计算，操作步骤如下：

该主蒸汽管段规格Φ472.8mm×86.8mm、材质A335 P92、设计温度610℃、设计压力29.67MPa、硅酸铝保温棉厚度t＝300mm，查询标准可知设计温度下材料的弹性模量E＝168.8×10³MPa，现场测得L＝6000mm、L₁＝3000mm，通过布置的三向位移指示器记录得知吊点A端的热膨胀位移为(x₁＝118.3mm、y₁＝-17.8mm、z₁＝-75.4mm)，吊点B端的热膨胀位移为(x₂＝162.4mm、y₂＝-68.5mm、z₂＝-136.7mm)。

缺陷位置在r＝195mm、θ＝130°处，将上述数据输入“在役汽水管道焊缝三维应力计算”系统中，计算得到该位置的三向应力分别为：σ_r＝-9.31MPa、σ_θ＝48.95MPa、σ_L＝20.87MPa；在不同径向深度时，轴向最大拉应力在方位角θ为122°～130°之间。

为验证本发明的计算结果正确性，在此采用有限元软件进行整个主蒸汽管道的三维应力仿真分析，并提取相应焊缝的应力计算结果进行对比，在θ＝130°处各径向位置的应力计算结果对比如图4所示，对比结果显示两者误差在10％以内，计算精度基本能够满足工程应用所需，说明本发明所采用的计算方法及假定条件合理，能够用于工程现场使用。

本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。