專利名稱：一種應對工業管道因熱應力引起反復斷裂的方法
技術領域：
本發明涉及一種工業管道斷裂故障的量化分析、應對及預防方法，尤其涉及應對 工業管道因溫差導致的熱應力引起反復斷裂的方法。
背景技術：
實踐生產中，某些諸如煉鐵高爐的系統回水干管運行時，經常發生原因不明的頻 繁斷裂現象。現場維修人員隨經多方努力，仍然無法控制斷裂事件的不斷出現。斷裂故障 的頻繁高發且無預兆性，導致高爐的生產秩序受到嚴重干擾。為此對管道斷裂的原因進行 了科學的分析，在排除了承載時的環向、縱向應力和運行介質對管道施加的拉應力導致管 道斷裂的情形下，通過近四個月時間的現場跟蹤觀察，統計歸納了破斷事件與高爐生產之 間的關聯因素及斷裂事件的共性規律，最后得出看到管道頻繁破斷的主導因素是溫差導致 的熱應力。但現有技術并沒有對于這種工業管道斷裂故障，給出系統的量化分析、判定技術 程序。

發明內容
本發明針對上述技術問題，所要解決的是為現場提供一種工業管道因溫差因素 導致的熱應力反復斷裂的應對方法。為解決上述技術問題，本發明采取如下的技術方案，
一種應對工業管道因熱應力引起反復斷裂的方法，其特征在于，包括如下步驟 A、測試管道應力并判定應力方向；
B、測算管道應力幅度；
C、判定管道承載應力的能力；
D、計算管道應力補償，安裝補償器。在上述步驟A測試管道應力并判定應力方向，包括如下步驟
(1).在涉案的管段上，確定應力釋放點，以釋放點為中心，向管段兩端各外延廣2M的 距離做動點標記Bd，對應管道的動點標記，設置固定參照點標記Bj ；
(2).在已設好標記的管段內，選取適當長度管道Bf，對管道進行切割、截斷，并抽出切 割段，使管道內業已存在的應力得到釋放；
(3).對切割后的管道兩動點進行長度測量，得到應力釋放后的動點間距Bd值，利用測 得的新Bd值，與對應的固定參照點距離B」值進行比較；
(4).根據比較結果，確認管道的應力方向； 若Bd值< B」值管道承受膨脹壓應力；
若Bd值> B」值管道承受收縮拉應力； 若Bd值=B^值管道不存在應力載荷。對于上述步驟B測算管道應力幅度時，包括如下步驟
(1).根據動、定點長度差b的絕對值，求算涉案直管段的應變伸縮率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 )的線性關系式，計算該段管道在非載荷狀態 時的原始應力強度σ i ；
σ J=EX ε
其中涉案管道材料的彈性模量E值，可由相關工程材料手冊查得，
(3).以涉案的直管段長度L為基準，根據管道的系統溫差區間Τ，利用該管道材料的 線膨脹系數α值，計算直管段的最大脹、縮區間δ L值
δ L=LX α XT
其中管道材料的線膨脹系數α值，可由相關工程材料手冊查得，
(4).根據計算的最大脹、縮區間δL值，求算該直管段的溫差應變延伸率
ε L = δ L/L
(5).仍然利用管道材料的彈性模量E=。s/ε的關系式，計算管道運行狀態下的溫差 應力值σ 2,此時，ε = ε L值，
σ 2=ΕΧ ε L
(6).計算管道在非載荷狀態下的總應力值
0 3= 0 1+ 0 2
(7).根據管道運行壓力P值，求算其運行拉應力O[值； Ol= (P*D)/ (4*S*<ji)
注P—流體壓強(kg/cm2) ； D—管道內徑(cm); S—管道壁厚(cm) ； Φ—輝縫比強度系數，現場焊時，取0. 75、. 8 ；
(8).計算此前對管道造成破壞的匯總應力值；
σ ρ σ 3+ σ L
(9).計算管道原始應力得到釋放后的系統剩余應力Qx值；
σ =Ou_ O1
χ H1。對于上述步驟C判定管道承載應力的能力時，包括下列步驟 (1).比較系統剩余應力σ χ與涉案管道材料的安全許用應力〔O〕；
當σχ<〔 σ〕，表明管道的應力水平，在材料的安全允許范圍；導致管道斷裂破 壞的原因，應為管道的環焊縫未達到客觀需求的焊接工藝質量。此情況下，應嚴格核對或修 正焊接工藝技術規范，對相關環焊縫重新執行焊接工藝，
當ο χ >〔 ο〕;表明管道的應力水平，已經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力補償措施，
其中對于相關材料的安全許用應力〔ο〕值，可在各種工程類材料手冊中查取。其具體 應用時，選取要領如下
a.在手冊中查出相關材料的抗拉強度Ob值；屈服強度Os值；
b.取抗拉強度安全系數nb=3；屈服強度安全系數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計算管道應力補償及安裝補償器包括如下步驟(1).設定補償器脹、縮距離
根據計算的管道最大脹、縮區間SL=LX α XT，對補償器設定預置脹、縮距離。其具體 作業程序如下
a.測量作業時段的管道環境溫度t，以t為計算基點； b.以運行時最高溫度tg；最低溫度td ；最大溫差區間值T=tg — td ；為計算參數，分別計
算
管段膨脹預留量zL (1) zL= δ LX (tg - t)/T 管段收縮預留量sL②
sL= δ LX (t — td)/T
(2).安裝、連接補償器
a.依據補償器(6)的實際安裝距離，以伸縮套法蘭(3)內端面向外拉伸至少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.根據計算的zL(l)、sL (2)預設值，在完成連接的管道及補償器上，調整補償器定 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。本發明的有益效果是，能科學、準確的判斷分析工業管道因溫差導致的熱應力導 致的多次反復的原因，使現場對管道斷裂現象的分析、判定由傳統的經驗判斷方式，轉變為 數據形式的定量分析判定方式，并提出了實用的解決方案。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的技術方案作進一步具體說明。圖1為本發明管道動點標記和靜點參照標記設置示意圖 圖2為本發明補償器調整、定位示意圖。具體實施例
在武鋼6 # 8 #高爐INBA系統管管道斷裂修復中，應用了本發明涉及的技術方案。如圖1，在該涉案管道的頻繁斷裂區域，取兩固定支座間跨度為35米的直管段中 點，為應力釋放點；以該點為中心標記，分別向兩側各延長1米，做為兩點動點標記Bd，間隔 為2米；在兩動點標記垂直對應的地坪上，設置靜點參照標記B」。在動點標記區間內，選取 適當長度的管段Bf，進行切斷并抽出后，經測量得到了動點對靜點向內位移的事實，其總量 為7mm的向內延伸量(命名為AL1X據此可確認，此前該段管道在系統內無論荷載與否，始 終在AL1的作用下處于膨脹、受反壓狀態。根據該段管道為35000mm的總長度，其在無負 載狀態下的變形率為
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，該管道在無負荷狀態時，已經承受了 形變應力。借助材料彈性模量E值(E= σ s/ ε )的線性特點，結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荷時的時效應力值σ工；σ1=EXε1
=2.lX106kg/cm2X2Xl(T4 =420kg/cm2
通過計算，求出了該段管道在無負荷狀態下的常態應力值σ ”比照運行中流體介質對 管道施加的25kg/cm2縱向應力值，420kg/cm2時效應力值是其幅度的17倍，其破壞性能量 已經消耗了管道材料1143kg/cm2許用強度的37%。運行條件下的熱應力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、熱膨脹應力 AL2=LX α XT2 ( α —該管材的線膨脹系數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。管道在此溫差區間內，所產生的熱膨脹應力值σ 2為
σ 2=ΕΧ ε 2
=2. lX106kg/cm2X8Xl(T4 =1680kg/cm2 ； 管道承載總應力σ 3
熱應力O2疊加該管系的常態應力值O1,共同作用于管道；此時，該管道承載的總應力
為
0 3= 0 1+ 0 2
=420kg/cm2+1680kg/cm2 =2100kg/cm2
這一應力值，已經遠高于管道材料1143kg/cm2的安全許用強度。此時，再對處于薄弱環 節的焊縫進行補強已經沒有意義；對該系統進行應力釋放及應變補償是唯一的可行方案。應力釋放及應變補償方案的技術實施，包括
根據管道運行的極限溫差為T1=SCTC的溫度變動區間，其最大縱向延伸距離AL應為 AL=LX α XT1=SSOOOmmX 13. 5 X IO-6X 80=38mm
考慮到設置補償器的時間在五月上旬，現場環境溫度在攝氏28°C左右，因此將38mm的 伸縮區間依據溫度比例，分割為兩段定位區間； 膨脹端 zLl 38mmX (80—28) /80=25mm 收縮端 sL2 38mm X 28/80=13mm 現場操作，如圖2所示
Α.依據補償器6的安裝距離，以伸縮套法蘭3內端面向外拉伸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面，經調整補 償器的定距螺桿4并測量確認后，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，釋放其系統內的時效應力σ工、并設置應力補 償元件后，其系統至今運行穩定，工況理想。最后所應說明的是，以上具體實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡 管參照較佳實例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發 明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵 蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
一種應對工業管道因熱應力引起反復斷裂的方法，其特征在于，包括如下步驟A、測試管道應力并判定應力方向； B、測算管道應力幅度； C、判定管道承載應力的能力； D、計算管道應力補償，安裝補償器。
2.根據權利要求1所述的應對工業管道因熱應力引起反復斷裂的方法，其特征在于， 在步驟A測試管道應力并判定應力方向時，包括如下步驟(1).在涉案的管段上，確定應力釋放點，以釋放點為中心，向管段兩端各外延廣2M的 距離做動點標記Bd值，對應管道的動點標記，設置固定參照點標記Bj值；(2).在已設好標記的管段內，選取適當長度管道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，得到應力釋放后的動點間距Bd值，利用測 得的新Bd值，與對應的固定參照點距離B」值進行比較；(4).根據比較結果，確認管道的應力方向。
3.根據權利要求1所述的應對工業管道因熱應力引起反復斷裂的方法，其特征在于， 在步驟B測算管道應力幅度時，包括如下步驟(1).根據動、定點長度差b的絕對值，求算涉案直管段的應變伸縮率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系式，計算該段管道在非載荷狀態時的原始應 力強度O1, σ χ=ΕΧ ε其中涉案管道材料的彈性模量E值，可由相關工程材料手冊查得，(3).以涉案的直管段長度L為基準，根據管道的系統溫差區間Τ，利用該管道材料的 線膨脹系數α值，計算直管段的最大脹、縮區間δ L值δ L=LX α XT其中管道材料的線膨脹系數α值，可由相關工程材料手冊查得，(4).根據計算的最大脹、縮區間δL值，求算該直管段的溫差應變延伸率ε L = δ L/L(5).仍然利用管道材料的彈性模量E=。s/ε的關系式，計算管道運行狀態下的溫差 應力值σ 2,此時，ε = ε L值， σ 2=ΕΧ ε L(6).計算管道在非載荷狀態下的總應力值0 3= 0 1+ 0 2(7).根據管道運行壓力P值，求算其運行拉應力O[值； Ol= (P*D)/ (4*S*<ji)其中P—流體壓強(kg/cm2)，D—管道內徑(cm)， S—管道壁厚(cm)，Φ —輝縫比強度系數，取0.75、. 8 ；(8).計算此前對管道造成破壞的匯總應力值；σ η= σ 3+ σ L(9).計算管道原始應力得到釋放后的系統剩余應力Qx值；<formula>formula see original document page 3</formula>
4.根據權利要求1所述的應對工業管道因熱應力引起反復斷裂的方法，其特征在于， 在步驟C判定管道承載應力的能力時，包括如下步驟(1).比較系統剩余應力σ χ與涉案管道材料的安全許用應力〔σ〕； 當σχ<〔 σ〕，表明管道的應力水平，在材料的安全允許范圍； 當σ χ >〔 σ〕，表明管道的應力水平，已經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力補償措施，其中對于相關材料的安全許用應力〔ο〕值，可在各種工程類材料手冊中查取，選取要 領如下a.在手冊中查出相關材料的抗拉強度Ob值，屈服強度Os值；b.取抗拉強度安全系數nb=3；屈服強度安全系數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.根據權利要求1所述的防止工業管道因熱應力引起反復斷裂的方法，其特征在于， 在步驟D計算管道應力補償及安裝補償器時，包括如下步驟(1).設定補償器脹、縮距離根據計算的管道最大脹、縮區間SL=LX α XT，對補償器⑥設定預置脹、縮距離，其具 體作業程序如下a.測量作業時段的管道環境溫度t，以t為計算基點；b.以運行時最高溫度tg；最低溫度td ；最大溫差區間值T=tg — td ；為計算參數，分別計算管段膨脹預留量zL (1) zL= δ LX (tg - t)/T 管段收縮預留量sL⑵sL= δ LX (t — td)/T(2).安裝、連接補償器(6)a.依據補償器(6)的實際安裝距離，即以伸縮套法蘭(3)內端面向外拉伸至少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.根據計算的zL(l)、sL(2)預設值，在完成連接的管道及補償器(6)上，調整補償器 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
本發明涉及一種應對工業管道因熱應力引起反復斷裂的方法，通過測試管道構建過程中形成的原始變形程度，判定管道的應力趨勢和量化其應力水平；通過管道服役環境的最大溫差區間，判定涉案管段的極限伸縮率ε；利用材料彈性模量E的線性規律，分別量化涉案管段承受的各類應力值和最大累計應力強度σ；通過最大累計應力強度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力補償方案。本發明的有益效果是，使現場對管道斷裂現象的分析、判定由傳統的經驗判斷方式，轉變為數據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 優先權日2010年5月24日
發明者吳良玉, 孫光軍, 孫華, 陶銘鼎, 顏斌 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司