有限元分析不同形狀腐蝕坑水冷壁管的剩余強度

楊佳　張軼桀　顧天宏　陳忠兵　楊海松　劉川

(1．蘇州熱工研究院有限公司　江蘇蘇州 215004；　2．神華三河發電有限責任公司　河北三河 065201；3．江蘇科技大學材料科學與工程學院　江蘇鎮江 212003)

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有限元分析不同形狀腐蝕坑水冷壁管的剩余強度

楊佳1張軼桀2顧天宏3陳忠兵1楊海松2劉川3

(1．蘇州熱工研究院有限公司江蘇蘇州 215004；2．神華三河發電有限責任公司河北三河 065201；3．江蘇科技大學材料科學與工程學院江蘇鎮江 212003)

基于ANSYS有限元軟件，對含不同形狀腐蝕坑水冷壁管剩余強度進行了研究。研究表明，將管壁上腐蝕坑簡化為柱狀，當腐蝕坑直徑和腐蝕深度組合達到?5 mm-80%壁厚、?8 mm-70%壁厚、?12 mm-60%壁厚3種情況時，腐蝕坑直徑和腐蝕深度增加則可認為腐蝕區失效；將腐蝕坑簡化為球形，當腐蝕坑直徑和腐蝕深度達到10H-70%壁厚(H為腐蝕深度)時，腐蝕坑直徑或深度增加則可認為腐蝕區域失效；將腐蝕坑簡化為矩形，當腐蝕坑尺寸和腐蝕深度達到6H-60%壁厚時，腐蝕深度和尺寸增加會造成腐蝕區域失效。相同尺寸和腐蝕深度的柱形坑、球形坑和矩形坑，球形坑最安全，柱形腐蝕坑最容易失效。

水冷壁管腐蝕缺陷ANSYS剩余強度應力狀態腐蝕失效

0　引言

水冷壁管是電站鍋爐的主要設備之一。隨著機組參數的提高，鍋爐熱負荷也隨之提高，水冷壁對給水中的殘余雜質更加敏感，將引起不同程度的腐蝕問題[1]。對含有腐蝕缺陷的管道進行剩余強度評價有3個益處：一是可以避免腐蝕所導致的爆裂等惡性事故發生，二是可以避免管道打壓試驗評價造成的停工停產，三是可以避免管道過早更換花費巨額費用[2]。

隨著有限元技術和計算機技術的飛速發展，已經可以通過建立管道的有限元模型來分析和研究腐蝕管道的剩余強度問題。洪來鳳等[3]利用ANSYS軟件對腐蝕管道的剩余強度進行研究，通過對管道腐蝕缺陷的模擬，分析腐蝕區的應力狀態；程方杰等[4]基于ANSYS軟件采用1/4管道模型對含有內腐蝕缺陷管道的3種模型進行有限元分析；張旭昀等[5]采用ANSYS有限元軟件，對含外腐蝕缺陷的管道進行了研究。

本文將腐蝕缺陷簡化為柱狀缺陷、球形缺陷和矩形缺陷，基于ANSYS軟件建立不同形式的有限元模型，重點分析不同形狀腐蝕坑、不同腐蝕深度后管子的應力狀態，對比分析幾種不同腐蝕形式下的應力分布特征，找出其分布規律，分析管道在何種狀態下失效。

1　計算模型

模型長度720 mm，外徑45 mm，壁厚4.7 mm。內螺紋形式按照標準GB/T 20409—2006中的A型建立。內壁承受工作壓力20 MPa，整個管件在溫度400 ℃下工作。

建立的不含缺陷有限元模型如圖1所示。整個管子模型采用規則形狀的映射網格劃分，共包含有146 800個單元和168 372個節點。

圖1　無缺陷管道計算模型

計算時，一端面施加3個方向位移約束，另一端面施加2個方向位移約束(軸向不施加約束)，內壁施加20 MPa壓力，整個管道施加400 ℃溫度，進行非線性彈塑性計算。

腐蝕情況建立模型時，腐蝕坑建立在整個管子的中部，腐蝕區域采用映射網格或自由網格劃分，網格細化(單元大小約1～2 mm)。計算時忽略鰭片結構，忽略蠕變現象，不考慮管子熱應力、彎矩、焊接接頭等的附加應力。

2　有限元計算結果分析

2.1無缺陷情況

計算等效應力在壓應力和溫度作用下，無缺陷管道的等效應力分布如圖2所示。

圖2　無缺陷等效應力分布

從圖2中看出，內壁上等效應力達到100～105 MPa，螺紋上等效應力約為50～53 MPa，外壁等效應力約為64 MPa。

2.2柱狀腐蝕坑分析

將腐蝕坑簡化為柱狀，腐蝕柱直徑從2 mm到20 mm變化，腐蝕深度從10%壁厚(0.47 mm)到80%壁厚(3.76 mm)變化，考慮到運行后的材料性能退化，認為水冷壁管材料在400 ℃的屈服強度退化為未運行時的80%，即157 MPa。當計算外壁上最大等效應力達到或接近157 MPa時，判斷腐蝕區域整個區域失效或臨界失效。不同情況下的腐蝕區域對應外壁上的最大等效應力如圖3所示。圖中灰色的點即為失效點(?8 mm，80%壁厚腐蝕深度；?9 mm，80%壁厚腐蝕深度)。

圖3　柱形腐蝕坑最大等效應力

從圖3中看出：①當管壁上點蝕直徑達到5 mm且腐蝕深度達到80%壁厚時，腐蝕區域外壁最大等效應力達到151 MPa(接近157 MPa)，如果腐蝕點直徑進一步增加或者腐蝕深度進一步增加則腐蝕區域失效；②當管壁上點蝕直徑達到8 mm且腐蝕深度達到70%壁厚時，腐蝕區域外壁最大等效應力達到151 MPa(接近157 MPa)，如果腐蝕直徑或者腐蝕深度進一步增加則腐蝕區域失效；③當管壁上腐蝕深度達到60%壁厚且點蝕直徑達到12 mm時，腐蝕區域外壁最大等效應力達到150 MPa，如果腐蝕直徑或者腐蝕深度進一步增加，或者同時造成管壁和螺紋腐蝕，則腐蝕區域失效；④點蝕直徑達到15 mm且造成管壁和螺紋同時腐蝕時，則腐蝕深度為50%壁厚時，腐蝕區域外壁最大等效應力達到154.4 MPa，如果點蝕直徑或腐蝕深度增加，則腐蝕區域失效。

?8 mm，80%壁厚腐蝕深度的等效應力分布云圖見圖4。

圖4　?8 mm，80%壁厚腐蝕深度的等效應力分布

2.3球狀腐蝕坑分析

將腐蝕坑簡化為球狀，腐蝕深度從20%壁厚到80%壁厚變化，球直徑從4倍腐蝕深度到12倍腐蝕深度變化，腐蝕位置包括管壁和螺紋位置。腐蝕區域的網格大小控制在1～2 mm左右，細化腐蝕區域網格后的模型包含單元數目大于21萬，節點數目大于17萬。不同腐蝕情況下，腐蝕區域對應外壁上最大等效應力值如圖5所示。圖中灰色的點即為失效點(?39.48 mm，70%壁厚腐蝕深度)。

圖5　球形腐蝕坑最大等效應力

從圖5中看出，將腐蝕坑簡化為球形坑，當腐蝕坑深度達到70%壁厚，且腐蝕坑直徑達到腐蝕深度的10倍時，腐蝕區域外壁最大等效應力達到115.4 MPa，為臨界失效狀態，腐蝕深度或者腐蝕坑直徑進一步增加，則腐蝕區域會很快失效。

從圖5中還可以看出，當腐蝕發生在管壁和螺紋時，腐蝕區域外壁最大等效應力比只是管壁腐蝕增加2%～7%左右，并且當腐蝕區域尺寸略大于螺紋之間的管壁寬度(約20.5 mm)時，腐蝕發生在管壁和螺紋區域計算結果與只是管壁腐蝕情況計算等效應力幾乎一致，兩者計算結果的差異可能來自于網格劃分的不同。

?39.48 mm，70%壁厚腐蝕深度的等效應力分布云圖見圖6。

圖6　?39.48 mm，70%壁厚腐蝕深度，管應力分布

2.4矩形腐蝕坑分析

將腐蝕坑簡化為矩形，矩形坑深度從40%壁厚到80%壁厚變化，邊長從腐蝕深度的1倍到15倍變化。各種矩形腐蝕坑的等效應力分布如圖7所示。其中矩形底面為正方形，圖中灰色的點即為失效點(邊長19.74 mm，60%壁厚腐蝕深度；邊長22.56 mm，60%壁厚腐蝕深度；邊長8 mm，80%壁厚腐蝕深度)。

圖7　矩形腐蝕坑最大等效應力

從圖7看出：①當矩形腐蝕坑的腐蝕深度達到60%壁厚，且腐蝕坑尺寸達到6倍腐蝕深度時，腐蝕區域外壁最大等效應力達到147.9 MPa，即為臨界失效狀態，腐蝕深度或腐蝕坑尺寸進一步增加，則腐蝕區域失效；②當矩形腐蝕坑的尺寸達到7 mm，且腐蝕深度達到80%壁厚時，腐蝕區域外壁最大等效應力達到149.5 MPa，認為達到了臨界失效狀態；③沿螺紋方向的尺寸增加，對腐蝕區域外壁最大等效應力增加不太顯著(腐蝕坑沿螺紋方向尺寸增加2倍，應力增加1.15倍；腐蝕坑沿螺紋方向尺寸增加2.7倍，應力增加1.3倍)。

腐蝕深度60%壁厚，尺寸為邊長22.56 mm的等效應力分布云圖見圖8。

圖8　腐蝕深度60%壁厚，邊長為22.56 mm的管應力分布

2.53種不同腐蝕坑模型的比較

比較相同尺寸和腐蝕深度柱形、球形和矩形腐蝕坑的腐蝕區域外壁等效應力如表1所示。

從表1中看出，相同尺寸的3種形狀腐蝕坑，球形腐蝕坑的等效應力最小，在?8 mm尺寸及70%壁厚腐蝕深度下，柱形腐蝕坑已經接近失效(150.6 MPa)，矩形腐蝕坑外壁等效應力達到138 MPa，球形腐蝕坑等效應力為84.2 MPa；當腐蝕坑深度達到80%壁厚時，柱形和矩形腐蝕坑區域已經失效，而球形腐蝕坑外壁最大等效應力為96.0 MPa。說明相同尺寸和腐蝕深度時，球形腐蝕坑的安全性高，柱形腐蝕坑的腐蝕區域最容易失效。

表1　3種腐蝕坑形貌外壁最大等效應力比較

3　結論

(1)對于柱狀腐蝕坑情況，當腐蝕坑直徑和腐蝕深度組合達到?5 mm-80%壁厚，?8 mm-70%壁厚，?12 mm-60%壁厚3種情況時，腐蝕坑直徑和腐蝕深度增加則可認為腐蝕區失效。

(2)腐蝕坑簡化為球形情況，當腐蝕坑直徑和腐蝕深度達到10H-70%壁厚(H為腐蝕深度)時，腐蝕坑直徑或深度增加則可認為腐蝕區域失效。當腐蝕發生在管壁和螺紋時，腐蝕區域外壁最大等效應力比只是管壁腐蝕時增加2%～7%左右。

(3)簡化為矩形腐蝕坑時，腐蝕坑尺寸和腐蝕深度達到6H-60%壁厚(H為腐蝕深度)時，腐蝕深度和尺寸增加會造成腐蝕區域失效；當腐蝕坑尺寸和深度達到7 mm-80%壁厚時，腐蝕區失效。

(4)相同尺寸和腐蝕深度的柱形坑、球形坑和矩形坑，球形坑最安全，柱形腐蝕坑最容易失效，當腐蝕深度達到80%壁厚時，柱形坑和矩形坑的外壁等效應力接近失效應力；相同尺寸和腐蝕深度的球形坑和矩形坑，矩形坑外壁最大等效應力是球形坑最大等效應力的1.4～1.6倍；相同尺寸和腐蝕深度柱形腐蝕坑和球形腐蝕坑比較，柱形腐蝕坑造成的外壁最大等效應力是球形腐蝕坑外壁最大等效應力的1.5倍左右。

[1]朱志萍，熊書華，趙永福,等.鍋爐水冷壁管材料20G和15CrMo在含Cl-溶液中的點蝕特性[J].中國電機工程學報，2012，32(2)：67-72.

[2]趙新偉，羅金恒，路民旭.含腐蝕缺陷管道剩余強度的有限元法分析[J].油氣儲運，2001，20(3)：18-21.

[3]洪來鳳，孫鐵，趙志海.基于ANSYS的雙點腐蝕缺陷管道剩余強度評價[J].油氣儲運，2010，29(12)：916-924.

[4]程方杰，武云龍，劉偉,等.含體積型缺陷管線表面應力應變狀態的有限元模型分析及試驗驗證[J].壓力容器，2012，29(9)：13-18.

[5]張旭昀，韓軍，徐子怡,等. 基于ANSYS有限元法的外腐蝕管道剩余強度和剩余壽命的研究[J].化工機械，2013，40(5)：639-641.

Finite Element Analysis of the Remnant Strength of the Water-cooled Wall Tubes with Different Corrosion Pit Shapes

YANG Jia1ZHANG Yijie2GU Tianhong3CHEN Zhongbing1YANG Haisong2LIU Chuan3

(1．SuzhouNuclearPowerResearchInstituteCo.,Ltd.Suzhou，Jiangsu215004)

ANSYS software is applied to analyze the remnant strength of the water-cooled wall tube with different corrosion pit shapes. The research results show that with cylinder corrosion pits, when the corrosion diameter and corrosion depth reaches ?5 mm-80% wall thickness, ?8 mm-70% wall thickness and ?12 mm-60% wall thickness, the tube can be thought of failure; with sphere corrosion pits,when the corrosion diameter and corrosion depth reaches 10H-70% wall thickness (His the corrosion depth), the tube can be thought of failure; with rectangle corrosion pits, when the corrosion diameter and corrosion depth reaches 6H-60% wall thickness, the tube can be considered as failure; under the same size and corrosion depths of cylinder, sphere and rectangle corrosion pits, the tube with sphere pits is the safest and that with cylinder pits is most likely to fail.

water-cooled wall tubecorrosion defectsANSYSremnant strengthstress statecorrosion failure

楊佳，男，1983年生，碩士，工程師，主要從事電站金屬焊接接頭失效分析、應力測試等方面的研究工作。

2015-08-20)