SS主蒸汽管线的损伤分析及高温失效评定

摘要

本文主要针对扬子石化烯烃厂服役了10万小时的SS主蒸汽管线进行研究，通过对管道材料STPA23的微观组织检查、高温短时拉伸和蠕变试验，分析管道材料损伤累积程度和力学性能退化情况；并采用有限元软件ABAQUS对SS管线进行热应力和蠕变分析，获得该管线服役过程的应力分布。在编制管单元损伤有限元分析子程序的基础上，对SS管线进行损伤分析，找出了损伤最严重的部位；最后通过建立管道材料服役10万小时和20万小时的高温失效评定线，对含缺陷的管道进行了高温结构完整性评定。 本文的主要研究内容和结论如下： (1) 通过微观组织检查，研究了管道材料微观组织在长期服役之后损伤的累积程度。结果表明长期服役后管道材料的微观组织基本正常，为铁素体和珠光体组织，晶间和晶界上有弥散的碳化物析出，珠光体球化情况并不严重，介于轻度和中度之间。管道外壁微观组织的劣化程度略比内壁组织严重些，但差别不大，符合高温主蒸汽管线损伤规律。 (2) 管道材料高温短时拉伸试验结果表明，服役10万小时的STPA23钢的力学性能有所下降，但仍具有较高的强度，尚有富裕的承载能力。服役20万小时的材料其力学性能会进一步下降，表明随着服役时间增长材料内部损伤会不断累积，导致材料力学性能不断退化。 (3) 通过高温蠕变试验得到材料在服役温度下的的蠕变曲线，得到了服役温度下蠕变和断裂的材料参数。采用有限元分析软件ABAQUS，对SS主蒸汽管线进行了热应力和蠕变分析，结果表明该管线在升温阶段和长期服役过程中，应力集中均发生在支吊架、弯管和异径管处，因此在实际操作中应对这些部位重点监控。管线变形主要是由于热膨胀和支吊架载荷引起，服役中应定期对支吊架进行检查，并防止超温运行。管线的蠕变应变也在规定范围之内，设计寿命期间不会发生蠕变失效。 (4) 通过编制计算管单元蠕变损伤的子程序UMAT，实现蠕变损伤本构方程与ABAQUS软件的耦合，并通过一个简单算例对子程序的正确性进行了验证。在此基础上，进一步对SS主蒸汽管线的蠕变损伤进行分析，找出了损伤最严重的部位，所预测的管线服役寿命与实际服役寿命和检验所得到的结果一致。 (5) 通过试验测得的管道材料的等时应力应变曲线，建立了服役10万小时和20万小时的管道材料的高温失效评定图，并对含有给定的环向裂纹和纵向裂纹的管道分别进行了高温失效评定，评定结果表明该含缺陷管道不会发生断裂失效。