有限元分析不同形状腐蚀坑水冷壁管的剩余强度

杨佳　张轶桀　顾天宏　陈忠兵　杨海松　刘川

(1．苏州热工研究院有限公司　江苏苏州 215004；　2．神华三河发电有限责任公司　河北三河 065201；3．江苏科技大学材料科学与工程学院　江苏镇江 212003)



有限元分析不同形状腐蚀坑水冷壁管的剩余强度

杨佳1张轶桀2顾天宏3陈忠兵1杨海松2刘川3

(1．苏州热工研究院有限公司江苏苏州 215004；2．神华三河发电有限责任公司河北三河 065201；3．江苏科技大学材料科学与工程学院江苏镇江 212003)

基于ANSYS有限元软件，对含不同形状腐蚀坑水冷壁管剩余强度进行了研究。研究表明，将管壁上腐蚀坑简化为柱状，当腐蚀坑直径和腐蚀深度组合达到∅5 mm-80%壁厚、∅8 mm-70%壁厚、∅12 mm-60%壁厚3种情况时，腐蚀坑直径和腐蚀深度增加则可认为腐蚀区失效；将腐蚀坑简化为球形，当腐蚀坑直径和腐蚀深度达到10H-70%壁厚(H为腐蚀深度)时，腐蚀坑直径或深度增加则可认为腐蚀区域失效；将腐蚀坑简化为矩形，当腐蚀坑尺寸和腐蚀深度达到6H-60%壁厚时，腐蚀深度和尺寸增加会造成腐蚀区域失效。相同尺寸和腐蚀深度的柱形坑、球形坑和矩形坑，球形坑最安全，柱形腐蚀坑最容易失效。

水冷壁管腐蚀缺陷ANSYS剩余强度应力状态腐蚀失效

0　引言

水冷壁管是电站锅炉的主要设备之一。随着机组参数的提高，锅炉热负荷也随之提高，水冷壁对给水中的残余杂质更加敏感，将引起不同程度的腐蚀问题[1]。对含有腐蚀缺陷的管道进行剩余强度评价有3个益处：一是可以避免腐蚀所导致的爆裂等恶性事故发生，二是可以避免管道打压试验评价造成的停工停产，三是可以避免管道过早更换花费巨额费用[2]。

随着有限元技术和计算机技术的飞速发展，已经可以通过建立管道的有限元模型来分析和研究腐蚀管道的剩余强度问题。洪来凤等[3]利用ANSYS软件对腐蚀管道的剩余强度进行研究，通过对管道腐蚀缺陷的模拟，分析腐蚀区的应力状态；程方杰等[4]基于ANSYS软件采用1/4管道模型对含有内腐蚀缺陷管道的3种模型进行有限元分析；张旭昀等[5]采用ANSYS有限元软件，对含外腐蚀缺陷的管道进行了研究。

本文将腐蚀缺陷简化为柱状缺陷、球形缺陷和矩形缺陷，基于ANSYS软件建立不同形式的有限元模型，重点分析不同形状腐蚀坑、不同腐蚀深度后管子的应力状态，对比分析几种不同腐蚀形式下的应力分布特征，找出其分布规律，分析管道在何种状态下失效。

1　计算模型

模型长度720 mm，外径45 mm，壁厚4.7 mm。内螺纹形式按照标准GB/T 20409—2006中的A型建立。内壁承受工作压力20 MPa，整个管件在温度400 ℃下工作。

建立的不含缺陷有限元模型如图1所示。整个管子模型采用规则形状的映射网格划分，共包含有146 800个单元和168 372个节点。

图1　无缺陷管道计算模型

计算时，一端面施加3个方向位移约束，另一端面施加2个方向位移约束(轴向不施加约束)，内壁施加20 MPa压力，整个管道施加400 ℃温度，进行非线性弹塑性计算。

腐蚀情况建立模型时，腐蚀坑建立在整个管子的中部，腐蚀区域采用映射网格或自由网格划分，网格细化(单元大小约1～2 mm)。计算时忽略鳍片结构，忽略蠕变现象，不考虑管子热应力、弯矩、焊接接头等的附加应力。

2　有限元计算结果分析

2.1无缺陷情况

计算等效应力在压应力和温度作用下，无缺陷管道的等效应力分布如图2所示。

图2　无缺陷等效应力分布

从图2中看出，内壁上等效应力达到100～105 MPa，螺纹上等效应力约为50～53 MPa，外壁等效应力约为64 MPa。

2.2柱状腐蚀坑分析

将腐蚀坑简化为柱状，腐蚀柱直径从2 mm到20 mm变化，腐蚀深度从10%壁厚(0.47 mm)到80%壁厚(3.76 mm)变化，考虑到运行后的材料性能退化，认为水冷壁管材料在400 ℃的屈服强度退化为未运行时的80%，即157 MPa。当计算外壁上最大等效应力达到或接近157 MPa时，判断腐蚀区域整个区域失效或临界失效。不同情况下的腐蚀区域对应外壁上的最大等效应力如图3所示。图中灰色的点即为失效点(∅8 mm，80%壁厚腐蚀深度；∅9 mm，80%壁厚腐蚀深度)。

图3　柱形腐蚀坑最大等效应力

从图3中看出：①当管壁上点蚀直径达到5 mm且腐蚀深度达到80%壁厚时，腐蚀区域外壁最大等效应力达到151 MPa(接近157 MPa)，如果腐蚀点直径进一步增加或者腐蚀深度进一步增加则腐蚀区域失效；②当管壁上点蚀直径达到8 mm且腐蚀深度达到70%壁厚时，腐蚀区域外壁最大等效应力达到151 MPa(接近157 MPa)，如果腐蚀直径或者腐蚀深度进一步增加则腐蚀区域失效；③当管壁上腐蚀深度达到60%壁厚且点蚀直径达到12 mm时，腐蚀区域外壁最大等效应力达到150 MPa，如果腐蚀直径或者腐蚀深度进一步增加，或者同时造成管壁和螺纹腐蚀，则腐蚀区域失效；④点蚀直径达到15 mm且造成管壁和螺纹同时腐蚀时，则腐蚀深度为50%壁厚时，腐蚀区域外壁最大等效应力达到154.4 MPa，如果点蚀直径或腐蚀深度增加，则腐蚀区域失效。

∅8 mm，80%壁厚腐蚀深度的等效应力分布云图见图4。

图4　∅8 mm，80%壁厚腐蚀深度的等效应力分布

2.3球状腐蚀坑分析

将腐蚀坑简化为球状，腐蚀深度从20%壁厚到80%壁厚变化，球直径从4倍腐蚀深度到12倍腐蚀深度变化，腐蚀位置包括管壁和螺纹位置。腐蚀区域的网格大小控制在1～2 mm左右，细化腐蚀区域网格后的模型包含单元数目大于21万，节点数目大于17万。不同腐蚀情况下，腐蚀区域对应外壁上最大等效应力值如图5所示。图中灰色的点即为失效点(∅39.48 mm，70%壁厚腐蚀深度)。

图5　球形腐蚀坑最大等效应力

从图5中看出，将腐蚀坑简化为球形坑，当腐蚀坑深度达到70%壁厚，且腐蚀坑直径达到腐蚀深度的10倍时，腐蚀区域外壁最大等效应力达到115.4 MPa，为临界失效状态，腐蚀深度或者腐蚀坑直径进一步增加，则腐蚀区域会很快失效。

从图5中还可以看出，当腐蚀发生在管壁和螺纹时，腐蚀区域外壁最大等效应力比只是管壁腐蚀增加2%～7%左右，并且当腐蚀区域尺寸略大于螺纹之间的管壁宽度(约20.5 mm)时，腐蚀发生在管壁和螺纹区域计算结果与只是管壁腐蚀情况计算等效应力几乎一致，两者计算结果的差异可能来自于网格划分的不同。

∅39.48 mm，70%壁厚腐蚀深度的等效应力分布云图见图6。

图6　∅39.48 mm，70%壁厚腐蚀深度，管应力分布

2.4矩形腐蚀坑分析

将腐蚀坑简化为矩形，矩形坑深度从40%壁厚到80%壁厚变化，边长从腐蚀深度的1倍到15倍变化。各种矩形腐蚀坑的等效应力分布如图7所示。其中矩形底面为正方形，图中灰色的点即为失效点(边长19.74 mm，60%壁厚腐蚀深度；边长22.56 mm，60%壁厚腐蚀深度；边长8 mm，80%壁厚腐蚀深度)。

图7　矩形腐蚀坑最大等效应力

从图7看出：①当矩形腐蚀坑的腐蚀深度达到60%壁厚，且腐蚀坑尺寸达到6倍腐蚀深度时，腐蚀区域外壁最大等效应力达到147.9 MPa，即为临界失效状态，腐蚀深度或腐蚀坑尺寸进一步增加，则腐蚀区域失效；②当矩形腐蚀坑的尺寸达到7 mm，且腐蚀深度达到80%壁厚时，腐蚀区域外壁最大等效应力达到149.5 MPa，认为达到了临界失效状态；③沿螺纹方向的尺寸增加，对腐蚀区域外壁最大等效应力增加不太显著(腐蚀坑沿螺纹方向尺寸增加2倍，应力增加1.15倍；腐蚀坑沿螺纹方向尺寸增加2.7倍，应力增加1.3倍)。

腐蚀深度60%壁厚，尺寸为边长22.56 mm的等效应力分布云图见图8。

图8　腐蚀深度60%壁厚，边长为22.56 mm的管应力分布

2.53种不同腐蚀坑模型的比较

比较相同尺寸和腐蚀深度柱形、球形和矩形腐蚀坑的腐蚀区域外壁等效应力如表1所示。

从表1中看出，相同尺寸的3种形状腐蚀坑，球形腐蚀坑的等效应力最小，在∅8 mm尺寸及70%壁厚腐蚀深度下，柱形腐蚀坑已经接近失效(150.6 MPa)，矩形腐蚀坑外壁等效应力达到138 MPa，球形腐蚀坑等效应力为84.2 MPa；当腐蚀坑深度达到80%壁厚时，柱形和矩形腐蚀坑区域已经失效，而球形腐蚀坑外壁最大等效应力为96.0 MPa。说明相同尺寸和腐蚀深度时，球形腐蚀坑的安全性高，柱形腐蚀坑的腐蚀区域最容易失效。

表1　3种腐蚀坑形貌外壁最大等效应力比较

3　结论

(1)对于柱状腐蚀坑情况，当腐蚀坑直径和腐蚀深度组合达到∅5 mm-80%壁厚，∅8 mm-70%壁厚，∅12 mm-60%壁厚3种情况时，腐蚀坑直径和腐蚀深度增加则可认为腐蚀区失效。

(2)腐蚀坑简化为球形情况，当腐蚀坑直径和腐蚀深度达到10H-70%壁厚(H为腐蚀深度)时，腐蚀坑直径或深度增加则可认为腐蚀区域失效。当腐蚀发生在管壁和螺纹时，腐蚀区域外壁最大等效应力比只是管壁腐蚀时增加2%～7%左右。

(3)简化为矩形腐蚀坑时，腐蚀坑尺寸和腐蚀深度达到6H-60%壁厚(H为腐蚀深度)时，腐蚀深度和尺寸增加会造成腐蚀区域失效；当腐蚀坑尺寸和深度达到7 mm-80%壁厚时，腐蚀区失效。

(4)相同尺寸和腐蚀深度的柱形坑、球形坑和矩形坑，球形坑最安全，柱形腐蚀坑最容易失效，当腐蚀深度达到80%壁厚时，柱形坑和矩形坑的外壁等效应力接近失效应力；相同尺寸和腐蚀深度的球形坑和矩形坑，矩形坑外壁最大等效应力是球形坑最大等效应力的1.4～1.6倍；相同尺寸和腐蚀深度柱形腐蚀坑和球形腐蚀坑比较，柱形腐蚀坑造成的外壁最大等效应力是球形腐蚀坑外壁最大等效应力的1.5倍左右。

[1]朱志萍，熊书华，赵永福,等.锅炉水冷壁管材料20G和15CrMo在含Cl-溶液中的点蚀特性[J].中国电机工程学报，2012，32(2)：67-72.

[2]赵新伟，罗金恒，路民旭.含腐蚀缺陷管道剩余强度的有限元法分析[J].油气储运，2001，20(3)：18-21.

[3]洪来凤，孙铁，赵志海.基于ANSYS的双点腐蚀缺陷管道剩余强度评价[J].油气储运，2010，29(12)：916-924.

[4]程方杰，武云龙，刘伟,等.含体积型缺陷管线表面应力应变状态的有限元模型分析及试验验证[J].压力容器，2012，29(9)：13-18.

[5]张旭昀，韩军，徐子怡,等. 基于ANSYS有限元法的外腐蚀管道剩余强度和剩余寿命的研究[J].化工机械，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

杨佳，男，1983年生，硕士，工程师，主要从事电站金属焊接接头失效分析、应力测试等方面的研究工作。

2015-08-20)