专利名称：一种应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法
技术领域：
本发明涉及一种工业管道断裂故障的量化分析、应对及预防方法，尤其涉及应对 工业管道因温差导致的热应力引起反复断裂的方法。
背景技术：
实践生产中，某些诸如炼铁高炉的系统回水干管运行时，经常发生原因不明的频 繁断裂现象。现场维修人员随经多方努力，仍然无法控制断裂事件的不断出现。断裂故障 的频繁高发且无预兆性，导致高炉的生产秩序受到严重干扰。为此对管道断裂的原因进行 了科学的分析，在排除了承载时的环向、纵向应力和运行介质对管道施加的拉应力导致管 道断裂的情形下，通过近四个月时间的现场跟踪观察，统计归纳了破断事件与高炉生产之 间的关联因素及断裂事件的共性规律，最后得出看到管道频繁破断的主导因素是温差导致 的热应力。但现有技术并没有对于这种工业管道断裂故障，给出系统的量化分析、判定技术 程序。
发明内容
本发明针对上述技术问题，所要解决的是为现场提供一种工业管道因温差因素 导致的热应力反复断裂的应对方法。为解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案，
一种应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于，包括如下步骤 A、测试管道应力并判定应力方向；
B、测算管道应力幅度；
C、判定管道承载应力的能力；
D、计算管道应力补偿，安装补偿器。在上述步骤A测试管道应力并判定应力方向，包括如下步骤
(1).在涉案的管段上，确定应力释放点，以释放点为中心，向管段两端各外延广2M的 距离做动点标记Bd，对应管道的动点标记，设置固定参照点标记Bj ；
(2).在已设好标记的管段内，选取适当长度管道Bf，对管道进行切割、截断，并抽出切 割段，使管道内业已存在的应力得到释放；
(3).对切割后的管道两动点进行长度测量，得到应力释放后的动点间距Bd值，利用测 得的新Bd值，与对应的固定参照点距离B」值进行比较；
(4).根据比较结果，确认管道的应力方向； 若Bd值< B」值管道承受膨胀压应力；
若Bd值> B」值管道承受收缩拉应力； 若Bd值=B^值管道不存在应力载荷。对于上述步骤B测算管道应力幅度时，包括如下步骤
(1).根据动、定点长度差b的绝对值，求算涉案直管段的应变伸缩率ε，ε =b/L= I Bd - Bj I /L ； 其中L为涉案直管段两固定支座间的距离，
(2).利用管道材料弹性模量(E=σ s/ ε )的线性关系式，计算该段管道在非载荷状态 时的原始应力强度σ i ；
σ J=EX ε
其中涉案管道材料的弹性模量E值，可由相关工程材料手册查得，
(3).以涉案的直管段长度L为基准，根据管道的系统温差区间Τ，利用该管道材料的 线膨胀系数α值，计算直管段的最大胀、缩区间δ L值
δ L=LX α XT
其中管道材料的线膨胀系数α值，可由相关工程材料手册查得，
(4).根据计算的最大胀、缩区间δL值，求算该直管段的温差应变延伸率
ε L = δ L/L
(5).仍然利用管道材料的弹性模量E=。s/ε的关系式，计算管道运行状态下的温差 应力值σ 2,此时，ε = ε L值，
σ 2=ΕΧ ε L
(6).计算管道在非载荷状态下的总应力值
0 3= 0 1+ 0 2
(7).根据管道运行压力P值，求算其运行拉应力O[值； Ol= (P*D)/ (4*S*<ji)
注P—流体压强(kg/cm2) ； D—管道内径(cm); S—管道壁厚(cm) ； Φ—辉缝比强度系数，现场焊时，取0. 75、. 8 ；
(8).计算此前对管道造成破坏的汇总应力值；
σ ρ σ 3+ σ L
(9).计算管道原始应力得到释放后的系统剩余应力Qx值；
σ =Ou_ O1
χ H1。对于上述步骤C判定管道承载应力的能力时，包括下列步骤 (1).比较系统剩余应力σ χ与涉案管道材料的安全许用应力〔O〕；
当σχ<〔 σ〕，表明管道的应力水平，在材料的安全允许范围；导致管道断裂破 坏的原因，应为管道的环焊缝未达到客观需求的焊接工艺质量。此情况下，应严格核对或修 正焊接工艺技术规范，对相关环焊缝重新执行焊接工艺，
当ο χ >〔 ο〕;表明管道的应力水平，已经达到或超越材料的安全允许范围；此情况下， 必须对该管段采取应力补偿措施，
其中对于相关材料的安全许用应力〔ο〕值，可在各种工程类材料手册中查取。其具体 应用时，选取要领如下
a.在手册中查出相关材料的抗拉强度Ob值；屈服强度Os值；
b.取抗拉强度安全系数nb=3；屈服强度安全系数ns=l. 6 ；
c.选取〔σ〕值以下面括号中的较低值者为取用值；〔σ〕=〔 ob/nb ； σ s/ns) Min。对于上述步骤D计算管道应力补偿及安装补偿器包括如下步骤(1).设定补偿器胀、缩距离
根据计算的管道最大胀、缩区间SL=LX α XT，对补偿器设定预置胀、缩距离。其具体 作业程序如下
a.测量作业时段的管道环境温度t，以t为计算基点； b.以运行时最高温度tg；最低温度td ；最大温差区间值T=tg — td ；为计算参数，分别计
算
管段膨胀预留量zL (1) zL= δ LX (tg - t)/T 管段收缩预留量sL②
sL= δ LX (t — td)/T
(2).安装、连接补偿器
a.依据补偿器(6)的实际安装距离，以伸缩套法兰(3)内端面向外拉伸至少IOOmm后， 做为补偿器的实际安装长度，确定管道的最终截取长度；
b.以法兰连接形式，完成管道与补偿器的外端连接；
c.根据计算的zL(l)、sL (2)预设值，在完成连接的管道及补偿器上，调整补偿器定 距拉杆的(4)定位螺母，并以双螺母(5)紧固方式，完成最终定位。本发明的有益效果是，能科学、准确的判断分析工业管道因温差导致的热应力导 致的多次反复的原因，使现场对管道断裂现象的分析、判定由传统的经验判断方式，转变为 数据形式的定量分析判定方式，并提出了实用的解决方案。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明的技术方案作进一步具体说明。图1为本发明管道动点标记和静点参照标记设置示意图 图2为本发明补偿器调整、定位示意图。具体实施例
在武钢6 # 8 #高炉INBA系统管管道断裂修复中，应用了本发明涉及的技术方案。如图1，在该涉案管道的频繁断裂区域，取两固定支座间跨度为35米的直管段中 点，为应力释放点；以该点为中心标记，分别向两侧各延长1米，做为两点动点标记Bd，间隔 为2米；在两动点标记垂直对应的地坪上，设置静点参照标记B」。在动点标记区间内，选取 适当长度的管段Bf，进行切断并抽出后，经测量得到了动点对静点向内位移的事实，其总量 为7mm的向内延伸量(命名为AL1X据此可确认，此前该段管道在系统内无论荷载与否，始 终在AL1的作用下处于膨胀、受反压状态。根据该段管道为35000mm的总长度，其在无负 载状态下的变形率为
ε Δ L1/L=7mm/35000mm=2 X 10_4 ；
即对该段管道形成了万分之二的正延伸率。故此，该管道在无负荷状态时，已经承受了 形变应力。借助材料弹性模量E值(E= σ s/ ε )的线性特点，结合管道的时效延伸率ε工，不难 求算出该管道在没有承载任何负荷时的时效应力值σ工；σ1=EXε1
=2.lX106kg/cm2X2Xl(T4 =420kg/cm2
通过计算，求出了该段管道在无负荷状态下的常态应力值σ ”比照运行中流体介质对 管道施加的25kg/cm2纵向应力值，420kg/cm2时效应力值是其幅度的17倍，其破坏性能量 已经消耗了管道材料1143kg/cm2许用强度的37%。运行条件下的热应力σ 2计算
由前面的运行温差简介，我们可选择该管道在一般运行条件下由20°C升至80°C的温 度区间(T2=60°C)，分别求算其热膨胀延伸值Δ L2、弹性变形率ε 2、热膨胀应力 AL2=LX α XT2 ( α —该管材的线膨胀系数13. 5Χ10—6) =35000mmX13. 5 X IO-6X 60°C =28mm ； 在此温差作用下的弹性变形率ε 2为 ε 2= Δ L2/L=28mm/35000mm=8 X 1(Γ4 ； 既有万分之八的温差延伸率。管道在此温差区间内，所产生的热膨胀应力值σ 2为
σ 2=ΕΧ ε 2
=2. lX106kg/cm2X8Xl(T4 =1680kg/cm2 ； 管道承载总应力σ 3
热应力O2叠加该管系的常态应力值O1,共同作用于管道；此时，该管道承载的总应力
为
0 3= 0 1+ 0 2
=420kg/cm2+1680kg/cm2 =2100kg/cm2
这一应力值，已经远高于管道材料1143kg/cm2的安全许用强度。此时，再对处于薄弱环 节的焊缝进行补强已经没有意义；对该系统进行应力释放及应变补偿是唯一的可行方案。应力释放及应变补偿方案的技术实施，包括
根据管道运行的极限温差为T1=SCTC的温度变动区间，其最大纵向延伸距离AL应为 AL=LX α XT1=SSOOOmmX 13. 5 X IO-6X 80=38mm
考虑到设置补偿器的时间在五月上旬，现场环境温度在摄氏28°C左右，因此将38mm的 伸缩区间依据温度比例，分割为两段定位区间； 膨胀端 zLl 38mmX (80—28) /80=25mm 收缩端 sL2 38mm X 28/80=13mm 现场操作，如图2所示
Α.依据补偿器6的安装距离，以伸缩套法兰3内端面向外拉伸IOOmm后，做为补偿器 的安装长度，切割管道、抽取中间段；
B.对管道两端头安装法兰。一端法兰施焊固定，一端套于管道待焊；
C.加装补偿器6。先连接已施焊固定的法兰，再连接未施焊的法兰；对连接后的法兰 最后完成施焊，管道恢复连接；D.以管道法兰和补偿器法兰的端面，分别为收缩端和膨胀端的定位基准面，经调整补 偿器的定距螺杆4并测量确认后，以双螺母5背紧、完成最终定位。
该管道利用高炉定修机会，主动切断，释放其系统内的时效应力σ工、并设置应力补 偿元件后，其系统至今运行稳定，工况理想。最后所应说明的是，以上具体实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽 管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发 明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵 盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于，包括如下步骤A、测试管道应力并判定应力方向； B、测算管道应力幅度； C、判定管道承载应力的能力； D、计算管道应力补偿，安装补偿器。
2.根据权利要求1所述的应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于， 在步骤A测试管道应力并判定应力方向时，包括如下步骤(1).在涉案的管段上，确定应力释放点，以释放点为中心，向管段两端各外延广2M的 距离做动点标记Bd值，对应管道的动点标记，设置固定参照点标记Bj值；(2).在已设好标记的管段内，选取适当长度管道Bf，对管道进行切割、截断，并抽出切 割段；(3).对切割后的管道两动点进行长度测量，得到应力释放后的动点间距Bd值，利用测 得的新Bd值，与对应的固定参照点距离B」值进行比较；(4).根据比较结果，确认管道的应力方向。
3.根据权利要求1所述的应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于， 在步骤B测算管道应力幅度时，包括如下步骤(1).根据动、定点长度差b的绝对值，求算涉案直管段的应变伸缩率ε， ε =b/L= I Bd - Bj I /L其中L为涉案直管段两固定支座间的距离；(2).利用管道材料弹性模量的线性关系式，计算该段管道在非载荷状态时的原始应 力强度O1, σ χ=ΕΧ ε其中涉案管道材料的弹性模量E值，可由相关工程材料手册查得，(3).以涉案的直管段长度L为基准，根据管道的系统温差区间Τ，利用该管道材料的 线膨胀系数α值，计算直管段的最大胀、缩区间δ L值δ L=LX α XT其中管道材料的线膨胀系数α值，可由相关工程材料手册查得，(4).根据计算的最大胀、缩区间δL值，求算该直管段的温差应变延伸率ε L = δ L/L(5).仍然利用管道材料的弹性模量E=。s/ε的关系式，计算管道运行状态下的温差 应力值σ 2,此时，ε = ε L值， σ 2=ΕΧ ε L(6).计算管道在非载荷状态下的总应力值0 3= 0 1+ 0 2(7).根据管道运行压力P值，求算其运行拉应力O[值； Ol= (P*D)/ (4*S*<ji)其中P—流体压强(kg/cm2)，D—管道内径(cm)， S—管道壁厚(cm)，Φ —辉缝比强度系数，取0.75、. 8 ；(8).计算此前对管道造成破坏的汇总应力值；σ η= σ 3+ σ L(9).计算管道原始应力得到释放后的系统剩余应力Qx值；<formula>formula see original document page 3</formula>
4.根据权利要求1所述的应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于， 在步骤C判定管道承载应力的能力时，包括如下步骤(1).比较系统剩余应力σ χ与涉案管道材料的安全许用应力〔σ〕； 当σχ<〔 σ〕，表明管道的应力水平，在材料的安全允许范围； 当σ χ >〔 σ〕，表明管道的应力水平，已经达到或超越材料的安全允许范围；此情况 下，必须对该管段采取应力补偿措施，其中对于相关材料的安全许用应力〔ο〕值，可在各种工程类材料手册中查取，选取要 领如下a.在手册中查出相关材料的抗拉强度Ob值，屈服强度Os值；b.取抗拉强度安全系数nb=3；屈服强度安全系数ns=l. 6 ；c.选取〔σ〕值以下面括号中的较低值者为取用值； 〔σ〕=〔 ob/nb ； σ s/ns) Min。
5.根据权利要求1所述的防止工业管道因热应力引起反复断裂的方法，其特征在于， 在步骤D计算管道应力补偿及安装补偿器时，包括如下步骤(1).设定补偿器胀、缩距离根据计算的管道最大胀、缩区间SL=LX α XT，对补偿器⑥设定预置胀、缩距离，其具 体作业程序如下a.测量作业时段的管道环境温度t，以t为计算基点；b.以运行时最高温度tg；最低温度td ；最大温差区间值T=tg — td ；为计算参数，分别计算管段膨胀预留量zL (1) zL= δ LX (tg - t)/T 管段收缩预留量sL⑵sL= δ LX (t — td)/T(2).安装、连接补偿器(6)a.依据补偿器(6)的实际安装距离，即以伸缩套法兰(3)内端面向外拉伸至少IOOmm 后，做为补偿器(6)的实际安装长度，确定管道的最终截取长度；b.以法兰连接形式，完成管道与补偿器(6)的外端连接；c.根据计算的zL(l)、sL(2)预设值，在完成连接的管道及补偿器(6)上，调整补偿器 定距拉杆(4)的定位螺母，并以双螺母(5)紧固方式，完成最终定位。
全文摘要
本发明涉及一种应对工业管道因热应力引起反复断裂的方法，通过测试管道构建过程中形成的原始变形程度，判定管道的应力趋势和量化其应力水平；通过管道服役环境的最大温差区间，判定涉案管段的极限伸缩率ε；利用材料弹性模量E的线性规律，分别量化涉案管段承受的各类应力值和最大累计应力强度σ；通过最大累计应力强度σ和管道材料的允许使用强度〔σ〕的对比，判定涉案管段的安全与否，并最终提供可以度量的补强方案或应力补偿方案。本发明的有益效果是，使现场对管道断裂现象的分析、判定由传统的经验判断方式，转变为数据形式的定量分析判定方式，并提出了实用的解决方案。
文档编号C21B7/00GK101846242SQ20101018023
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者吴良玉, 孙光军, 孙华, 陶铭鼎, 颜斌 申请人:武汉钢铁(集团)公司