蒸汽发生器传热管堵管的研究

　试　验　研　究　

蒸发器传热管堵管判据的研究

李思源, 唐　毅, 聂　勇, 惠　虎, 李培宁

(1. 核动力运行研究所, 湖北武汉　430223; 2. 华东理工大学, 上海　200237)

摘　要:以传热管缺陷的伤深比α和当量长度比γ为参量, 1

1

1

2

2

件, 导出了含缺陷传热管的安全评定判据和堵管条件, 件。

关键词:蒸发器传热管; 缺陷; 安全评定; 验收判据中图分类号:T Q051. 6; T Q050. 2　　:A -4837(2008) 02-0013-05

I i n g Cr iter i a of Steam Genera tor Tub i n g

L I S i -yuan , TANG Y i , N I E Y ong , HU I Hu , L I Pe i -n i n g

Science and Technol ogy, Shanghai 200237, China )

Abstract:The safety evaluati on criteria of stea m generat or tubing with defects and the p lugging criteria are derived while using the fit functi on deduced by the burst p ressure and strength criteria; finally, the accep tance criteria and p lugging criteria of steam generat or tubing are p resented according t o the in -service ins pecti on peri od .

Key words:stea m generat or tubing; defect; safety assess ment; accep tance criteria; p lugging criteria

1

1

1

2

2

(1. Research I nstitute of Nuclear Power Operati on, W uhan 430223, China; 2. East China University of

符号说明:

D 0———传热管外直径, mm R i ———传热管内半径, mm R ———传热管中半径, mm

L ———传热管缺陷沿管子轴向的长度, mm

l ———传热管缺陷沿管子轴向的当量长度, mm , l =A /a a ———传热管缺陷的深度, mm

A ———传热管缺陷沿管子轴向的最大损伤面积, mm t ———传热管管壁厚度, mm

2

T ———操作温度, ℃RSF ———剩余强度系数

K ———传热管外直径与内直径的比, K =D 0/(D 0-2t )

σT ——传热管在操作温度T 下的屈服强度, MPa s —

σT ——传热管在操作温度T 下的抗拉强度, MPa b —

p B ———含缺陷传热管爆破压力的计算值, M Pa

σs ———传热管常温屈服强度, MPa σb ———传热管常温抗拉强度, MPa

p i ———传热管一次侧操作压力, MPa p 0———传热管二次侧操作压力, MPa

　　蒸汽发生器是压水堆核电站的重要设备, 为了

确保蒸发器在操作工况下安全运行, 对含缺陷传热管必须建立安全评定判据和堵管条件。美国AS ME B&PV 标准Ⅺ卷I W B -3521条的蒸汽发生器传热管

[1]

验收标准, 规定允许的缺陷深度不得超过壁厚40%, 否则就要堵管。德国针对I ncol oy 800 22×1. 2规格传热管开展了试验研究, 结果表明缺陷允许

[2]

的深度可以达到50%。但这些堵管条件都只考虑缺陷深度的影响, 而忽略了缺陷沿管子的轴向长度。这是不全面的, 也是很保守的。

文献[3]以传热管缺陷的伤深比α和当量长度

・1

3・

CP VT 　　　　　　　　　　　　　　　蒸发器传热管堵管判据的研究　　　　　　　　　　　　　　　Vol251No22008

比γ为参量, 建立了含缺陷传热管爆破压力拟合公式:

p B p B 0

4

10

=1-α{1-exp [-τ(γ)

-α

]}(1)

另一方面, 无缺陷传热管的塑性屈服压力p so 可

用下式计算:

σs

(7) p s 0ln K

0. 9

含缺陷传热管的塑性屈服压力p s 采用p s =RSF ×p s 0计算, 再代入式(5) 和(7) 得到:

σλ

p s =[1-α(1-e ) ln K

0. 9

其中:

σf ln K =0. 55(σs +σb ) ln K p B 0=1. 1τ(γ) =0. 09γ

1. 29

(2) (3)

(8)

　　　　(γ≤3. 8)

τ(γ) =0. 2584　　　(γ>3. 8)

在蒸汽发生器的起/停堆阶段, 传热管承受的最大内压为p i , 由于起/停堆的时间很短, 传热管允许

σs 。将它近似地换算的最大薄膜应力可以达到. 9

9s , :

σs ln K i 0. 9p s =[1-α(1-e ) ]

当缺陷尺寸满足不等式(9) 时, 该传热管在操

作工况的起/停堆阶段是允许的。

λ

α(1-e ) ≤1-p i /(σs ln K ) (9)

设:

σs }/ln K q =max{6(p i -p 0) /(σs +σb ) , p i /

(10)

410

τ(γ) (1+2αf (α, γ) =α{1-exp [-]}

1-α

文中利用传热管爆破压力拟合公式(1) 和强度条件, 导出了含缺陷传热管的安全评定判据; 当传热管缺陷沿管轴的长度比γ确定时, 给出了缺陷允许γ) 。提出了传热管在役检查的验收的伤深比αm (判据。最后应用评定判据导出I nconel 19. ×1. 09和I ncol oy 800 22×1. ) . 05×陷允许的伤深比αm 1. 09。1　传热管的安全评定1. 1　传热管的安全评定判据

λ

为了叙述方便, 令:410() ()

λ-α剩余系数:

RSF =p B /p B 0=1-α(1-e )

λ

-1+q

(4)

λ

(11)

由于函数1-e 随着l 的增加而增大, 因此, 综合式(6) , (9) 和(10) 得到含缺陷传热管的评定判据:

判据1:对R ×t 传热管的缺陷尺寸α=a /t 和γ=l/

R t:

(1) 若f (α, γ)

则由式(1) 得到, 直管段含缺陷传热管的强度

(5)

蒸汽发生器在操作工况的正常运行中, 传热管承受的内压力为p i -p 0, 为了确保蒸汽发生器安全运行, 在强度评定中, 取传热管承受的内压为1. 1(p i -p 0) , 将传热管在315℃下的爆破压力p B 除以3,

行是安全的;

(2) 若f (α, γ) ≥0, 则该传热管要堵管。

作为传热管的许用压力[p ]。则传热管的强度条件为:

1. 1(p i -p 0) ≤[p ]=p B /3

(6)

γ) 1. 2　传热管缺陷允许的伤深比αm (

含缺陷传热管的安全评定判据1是以伤深比α=a /t 和缺陷沿轴向的当量长度比γ=l/

R 作t 为评

将式(5) 代入式(6) 右端的p B , 并应用式(2) 得到:

3. 3(p i -p 0) ≤[1-α(1-e ) ]p B 00. 55[1-α(1-e ) ](σs +σb ) ln K

λ

λ

定参数。对在役传热管的缺陷部位, 利用传热管材

料在操作温度下的σs 和σb 由式(10) 计算得q ; 又当γ=γR 确t 定时, 式(11) 的f (α, γ1=l 1/1) 只是α

γ的函数。而方程f (α, γ1) =0的解αm (1) 就是该传热管缺陷的当量长度比γ

t 时所允许的缺1=l 1/

陷伤深比。采用迭代法求方程f (α, γ1) =0的解αm

(γ. 5, 经过计算简化后得到:1) , 取初始值α0=0

≥3. 3(p i -p 0)

因此, 当传热管的缺陷尺寸满足不等式:α(1-λ

e ) ≤1-6(p i -p 0) /[(σs +σb ) ln K ]时, 该传热管在操作工况中正常运行是安全的。

・14・

α. 5{0. 5+(1-q ) [11=0

第25卷第2期　　　　　　　　　　　　　　　　压　　　力　　　容　　　器　　　　　　　　　　　　　

总第183期

-1

τ(γ-exp (-1. 5896}1) ) ]

(12) L k ≈L k -1。因此可以取式(14) 作为未来m k +1个月内

再用αi 计算αi +1(i =1, 2, Λ) :

αi +1=0. 5{αi +(1-q ) [1-exp (-τ(γ1)

αi -αi 1+2

-αi

4

10

) ]

-1

}(13)

γ当i =j , 且|αj -αj +1|≤0. 005时, 则αm (1) =m in {αj , αj +1}

2　传热管在役检查的验收条件

传热管失效主要是由机械磨损和局部腐蚀导致其承载能力降低引起的。机械磨损包括U 型弯头处防振条微振磨损、支撑板处的松动磨损和凹痕等; 局部腐蚀包括淤渣堆积区里的耗蚀、蚀等。

一般, 条的宽度, 支撑板的厚度。L 基本不变。淤渣堆积区的耗蚀所产生的缺陷沿管轴的长度L 一般等于淤渣堆积的高度。在运行时间相同的各个周期中, 长度L 也大致相同。

防振条微振磨损和支撑板处松动磨损, 使传热管磨损面的面积随着运行时间的增加而扩大, 但它们在相同工序中的振幅和频率是基本相同的。因此缺陷伤深比α的月平均增长率在往后的运行周期中一般不会增加。由于淤渣堆积区的耗蚀使管壁均匀减薄, 因此耗蚀伤深比α的月平均增长率在各运行周期中基本不变。

综上所述, 机械磨损和耗蚀所产生的缺陷沿管轴的长度L 在各运行周期中基本不变, 缺陷伤深比α的月平均增长率一般不会增加。

设传热管在第k -1次(k =1, 2, Λ) 在役检查中检出一缺陷的尺寸为αk -1, L k -1, 该缺陷在第k 次在役检查中检出的尺寸为αk , L k ; 第k -1次到第k 次检查的周期为m k 个月, 并规定m k +1个月后进行第k +1次在役检查。当k =1, 传热管首次在役检查, 则k -1=0, 取α0=0, 对机械磨损和耗蚀缺陷, 取L 0=L 1; 对其它腐蚀取L 0=0。

由上面的分析和数据得到:

(1) 该缺陷沿轴向的长度在m k 个月内的月平均增长率为:

ΔΔ(14) L /m =(L k -L k -1) /mk

对机械磨损和淤渣区的耗蚀所产生的缺陷有

该缺陷长度的月平均增长率。对其它腐蚀缺陷, 它们沿管轴的最大损伤形状一般近似于半椭圆形, 在RSF 计算中, 当轴向长度为L 时, 其当量长度l =0. 78L 。在未来m k +1个月内, 虽然这类缺陷沿管轴长度的月平均增长率没有参考数据, 但也可以近似地采用式(14) , 而m k +1个月后该缺陷的当量长度l k +1取L k +1的预测值。因此, 在m k +1个月内缺陷长

Δ度的增量为m k +1ΔL /m , 利用式(14) 得到, 在m k +1

个月后该缺陷沿管轴长度的预测值为:

L k +1=L k +m k ΔL /=L k k -) k +1/mk

(15)

, 取γ=γR t, 利k +1=L k +1/

12) 和(13) , 求出该缺陷允许的伤深比γm (k +1) 。

(2) 该缺陷的伤深比α在m k 个月内的月平均α/Δ增长率Δm 为(αk -αk -1) /mk 。在未来m k +1个月内, 由机械磨损和淤渣区的耗蚀所产生的缺陷伤

深比都可以用它计算。为了确保蒸汽发生器安全运行, 一律取:

Δα/Δm =1. 2(αk -αk -1) /mk 将其作为未来m k +1个月内缺陷伤深比的月平均增长率。因此, 该缺陷在m k +1个月后缺陷伤深比的预测值为:

αk +1=αk +m k +1Δα/Δm

(16) =αk +1. 2(αk -αk -1) m k +1/mk

保证含缺陷传热管安全使用m k +1个月的条件

αγ为αk +1≤m (k +1) , 即:

αk +1. 2(αk -αk -1) m k +1/mk ≤αγm (k +1) 由此得到该传热管缺陷在第k 次在役检查中的验收条件为:

αγαm /m. 2() +1αk 1+1. 2m k +1/mk

若m k +1=m k , 则该传热管缺陷第k 次在役检查中的验收条件为:

αk ≤[αγαk -1]/2. 2. 2m (k +1) +1综上所述得到:

判据2:已知传热管在第k -1次和第k 次在役检查中检出同一缺陷的尺寸分别为αk -1, L k -1和αk ,

L k ; 这两次检查的周期为m k 个月, 并规定m k +1个月

后进行第k +1次检查。对参数γk +1(见式(17) ) 和

γ式(11) , 求得方程f (α, γk +1) =0的解为αm (k +1) 。

γR t k +1=[Lk +(L k -L k -1) m k +1/mk ]/

(17)

・15・

CP VT 　　　　　　　　　　　　　　　蒸发器传热管堵管判据的研究　　　　　　　　　　　　　　　Vol251No22008

αγαk m k /mk . 2m (k ) +1α(18) =m k

1+1. 2m k +1/mk

(1) 若ααk ≤m k , 则该传热管运行m k +1个月是安全的;

(2) 若ααk >m k , 则该传热管要堵管。3　应用

3. 1　I nconel 690 19. 05×1. 09规格传热管允许的

将上面的参数代入式(10) 计算得q =0. 5354。

将q 值代入式(12) 和(13) , 对应于γ=l/3. 1286计

γ) 列于表1。算得允许的伤深比αm (3. 2　I ncol oy 800 22×1. 2规格传热管允许的伤深

比

蒸汽发生器的操作工况为:p i =15. 2MPa , p 0=

6. 58MPa , T =315℃。传热管的外直径D 0=22mm , 壁厚t =1. 2mm , 材质为I nconel 800。在T =

327327[4]

327℃下, σs ≥214MPa , σb ≥552MPa 。

将上面的参数代入式(10) 计算得q =0. 61465。将q 值代入式(12) 和, R t =3. 5327mm ,

γ) 见γl/3. αm (伤深比

蒸汽发生器的操作工况为:p i =15. 5MPa , p 0=6. 89MPa , T =327℃。传热管的外直径D 0=19. 05mm , 壁厚t =1. 09mm , 材质为I nconel 690。在T =327℃下, σs ≥242MPa , σb ≥552MPa

参数γ=l/R t

l (mm ) αγ) m (

9. 0. 717

12. 50. 661

515. 60. 642

618. 80. 627

327

327

[4]

。

数值

721. 90. 615

825. 00. 604

928. 10. 595

1031. 30. 587

2062. 50. 539

γ) 表1　I nconel 69019. 1. 09γ的允许伤深比α(

γ) 表2　I ncol oy 800 22×1. 2规格传热管对应于γ的允许伤深比α(

参数γ=l/R t

l (mm )

数值

310. 60. 661

414. 10. 600

517. 70. 580

621. 20. 560

724. 70. 550

828. 30. 538

1035. 30

. 520

2070. 60. 468

3. 612. 70. 615

αγ) m (

3. 3　I nconel 690 19. 05×1. 09规格传热管的在役L 2=10mm , 缺陷的伤深比为α2。

检查验收条件

蒸汽发生器的操作工况同3. 1节。设传热管在役检查的周期为18个月。

(1) 第1次在役检查验收条件

传热管投产18个月后进行第1次在役检查, 并检出防振条处传热管磨损缺陷的伤深比α1=a /t =0. 25, 缺陷沿管轴的长度L 1=9mm 。

按规定取α0=0, L 0=9mm , 计算得3. 1286mm , γ=l/

R t =L 1/

T =

R t =2. 88。将3. 1节

将相关参数代入式(17) 计算得:

γ=[L2+(L 2-L 1) m 3/m2〗R t =3. 516

并由式(12) 和(13) 计算得该缺陷允许的伤深比α. 5) =0. 6835。m (3

由于α. 25, 因此由式(18) 计算得第2次在1=0

役检查允许的伤深比α. 44。从而由判据2得m 2=0到:

1) 若α. 44, 则该传热管再运行1个周期是2≤0安全的;

2) 若α. 44, 则该传热管必须堵管。2>04　结论

中的q =0. 535代入式(12) 和(13) 计算得该缺陷允

许的伤深比α. 88) =0. 726, 由式(18) 计算得第m (2

1次在役检查允许的伤深比α. 33。由于αm 1=01=0. 25

(2) 第2次在役检查验收条件

蒸汽发生器运行第2个周期后, 传热管进行第2次在役检查, 查出(1) 中传热管缺陷沿管轴的长度

・16・

根据传热管的操作工况和材料性能数据, 由式

(10) 计算出q 后得到:

(1) 安全评定判据

若R ×t 传热管的缺陷尺寸α和γ=l/t 使得

第25卷第2期　　　　　　　　　　　　　　　　压　　　力　　　容　　　器　　　　　　　　　　　　　总第183期

410

τ(γ) (1+2α)

f (α, γ) =α{1-exp [-]}-1

-α

全的; 反之该传热管要堵管。

参考文献:

[1]　AS ME 锅炉及压力容器规范(第Ⅺ卷) [S].2001.

+q

之该传热管要堵管。

(2) 在役检查验收判据

若相邻两次在役检查检出传热管同一缺陷的尺寸分别为αk -1, L k -1和αk , L k 。这两次检查的周期为

m k 个月, 并规定m k +1个月后进行第k +1次检查。

[2]　B. Flesch, F . de Ker oulas &P . Berge . Stea m Generat or

Tube Cracks at Da mp ierre 1E DF P WR Plant I m pact on Plant Safety[M].Structural M echanics in React or Tech 2nol ogy, 1987. 395-411.

[3]　李思源, 唐毅, 聂勇, 等. 蒸发器含缺陷传热管爆破压

又对γt, 方程k +1=[Lk +(L k -L k -1) m k +1/mk ]/

γf (α, γ若:k +1) =0的解为αm (k +1) 。

αγαk -1m k +1/mk . 2m (k +1) +1αk 1+1. 2m k +1/mk

则该传热管在操作工况下运行m k +1个月是安

力的计算[J ].压力容器, 2007, 24(12) :1-7.

[4]　AS ME (第Ⅲ卷) [S].2001.

:2007--:2008-01-07

　简　讯　

・埃森焊接与切割展览会筹备进展

　　由中国机械工程学会及其焊接分会、中国焊接协会、中国电器工业协会电焊机分会、德国焊接学会和德国埃森展览公司共同主办的第十三届北京・埃森焊接与切割展览会将于2008年・5月14～17日在北京中国国际展览中心举办。

2008年北京・埃森展招展工作的重点是增加展商的国

人分别预定126m 2; 罗马重工、上海肯泰特、锦州锦泰、唐山烁宝、上海沪通、江苏博大、成都福田

、无锡华联、上海金凤等

23家公司分别预定108m ; 合肥三宇、成都焊研科技、上海施

2

威、太原星云等9家公司分别预定90m 2; 安泰科技、济南派克、哈尔滨华崴、天津大桥、南京奥特、山东法因、哈尔滨焊接研究所、天津世纪五矿等28家公司分别预订72m 2; 此外, 还有36家公司分别预订54m 2以上的展台面积。

为了扩大展览会的影响, 主办单位正着力加强海内外宣传。海外宣传媒体有美国焊接学会焊接杂志、德国焊接学会焊接与切割杂志、日本熔接技术、埃及机械展会刊、韩国金属杂志、印度焊接展会刊和新加坡焊接学会通讯等。国内宣传媒体有:《机械工人》、《电焊机》、《焊接技术》在内的数十家国内杂志。为了进一步发挥北京・埃森焊接展的“平台聚合作用”, 主办单位在展会期间仍将开展一系列学术活动, 如:

I F W T2008轻金属与高强材料焊接国际论坛、中国机械工程

际性, 确保知名展商参展及高水平设备的展出。截止到

2008年1月中旬, 展览会已有来自20个国家和地区的800

多家企业报名参展, 共预订展台净面积达25038平方米, 折合标准展台2782个, 分布于国展1号馆一、二、三层以及2-10号馆, 展出面积61000平方米, 比2007年增加30%。

在国际馆, 德国展团和欧洲展团共预定了999m 的展台面积, 美国展团预定了216m 2, 韩国展团预定了540m 2。此外, 现代、ABB 、发那科、KI S W E L 、S AF 、Kuba 、Ther madyne 、Ne 2

der man 、海宝、肯比、福禄、T OX 等知名公司共预定了1779m 。

2

2

国内部分, 唐山展团(包括松下公司、神钢集团、小池酸素和开元电器) 预定了整个3号馆, 展台面积近2000m ; 林肯公司、伊萨公司、欧地希、凯尔达、天泰焊材、阿比泰克、北京时代分别预定396m 2; 上海沪工、佳士科技、瑞凌实业分别预定288m ; 上海华威预定252m ; 焊研威达、华锐重工、珠海科盈分别预定216m 2; 长沙凯天环保、上海山姆卡特、无锡阳通、首钢莫托曼、上海正特、郑州越达分别预定180m 2; 宁波隆兴、昆山京群、山大奥太、中电华强、赫尔机电、金桥焊材、梅塞尔切割、常州双良分别预定144m 2; 成都华远、无锡汉神、中冶集团、埃森普特、深圳华意隆、米加尼克、艾捷默机器

2

2

2

学会焊接分会第八届一次常务委员会议、中国焊接协会第五届三次理事会议、中国焊接论坛及技术讲座等。

2008年将进一步加强观众组织工作, 逐步完善由国内

外采购商和专业观众组成的V I P 数据库, 建立双向联系, 加强V I P 观众和展商之间的供求信息沟通; 同时为世界各地各行业用户观众创造良好的参观环境, 提供免费休息区、上网等服务。各项活动的筹备进展请关注北京・埃森展网址:

htt p://essen. c mes . org 和业内有关媒体。

电话:010-63983928, 传真:010-63980554, 参展联系人:刘丹、魏丽华, 参观联系人:白凌、苏晓鹰。

・17・