水力采煤与管道运输年6月.pdf

第 2期 水 力 采 煤 与 管 道 运 输 年 6月 固体粒料 水 力输 送管道磨蚀 后的 运行 可靠性评估 丁宏达 湖 南 长 沙 冶 全 设 计 研 完 总 院 摘要 在管道磨蚀 试验教 据放 大的基础 上 ， 研 完 了固体粒料 水 力输 送管道在 磨蚀 后 管壁 的 满 足 强度 和 刚 度 的 可靠性 。应 用 了“ 强度 应 力 干 涉模 型 ” 计 算 评 估 “ 强度 ” 不 小 于“ 应 力” 的 概 率 ， 即 管道 运 行 后 期 的 可 靠度 。 与 传 统 计 算方 法 进行 了比较 。 给 了算例 以供 参 考 。 关键词水力输 送管道 彦蚀 可靠度 强度 干 涉模型 1 前言 水 力输 送 管 道 系 统 是 一 种 运 输 大 宗 固 体 粒 料 的 优 良设 施 ， 已 广 泛 用 于 很多 部 门 。 然 而 ， 要 安 全 可 靠 地 运 营 这 类 运 输 系 统 ， 在 设 计 阶段 就 应 对 其 可 靠性 进 行 研 究评 估 。 鉴于 固液两 相浆 体对管道 内壁具有较 强 的 腐 蚀 作 用 ， 在 用 传 统 方 法 设 计 管 道 系 统 时 ， 尽 管 已考 虑 预 留 有 磨 蚀 壁 厚 ， 但 却 未 能 从 数 量 上 评 估 运 行 后 期 管道 承 压 和 刚 度 的安 全 可 靠性 。这显然 不能满 足现代设计的要求 。因 为管道在运营到服务周期的后期， 管壁的磨 蚀 已接 近 于 最 大 ， 余 下 的 管 壁 厚 度 在 何 种 概 率 程 度 上 能 满 足 承 压 和 刚 度 的 要 求 ， 需 要 从 可 靠 性 角 度 分 析 并 加 以 数 量 化 评 估 判 定 。 2 管道 壁厚计算和磨蚀试验数据放 大 2 ． 1管 道 壁 厚 设 计 水 力输送 管道 ， 特别 是长 距离 管道 所承 受 的 内压 力是很 大 的 ， 同时它又 受到 浆体 的 严 重 磨 损 和 磨 蚀 。管 道 壁 厚 设 计 的 基 本 要 求 就是 在其 使用期内能承 受规定的压 力和 满足 刚度要求 而不致破损 。因此 ， 管 壁总厚度 应 为 Er E| E E ram 1 式 中 E | 一管 道 承 受 最 大 内压 所 需 壁 厚 ， m m； E 一使 用 期 内管 壁 磨 蚀 掉 的 总 厚 ， m m； E 一 放 大 到 最 近 一 级 标 准 壁 厚 的 裕 量 ， mm。 E EB ～ E| E ram 2 E 一 对 应 于 管 径 D 的 某 一 标 准 管 壁 厚 ， mm o 承 压 管 壁厚 E | 为 ram 3 式 中 一 管道 承 受 的 最 大 内压 力 ， MP a ； D一 管 道 外 径 ， mm； 因 为 管道 内径 尚 为 未 知 量 ， 用 外 径 是 为 了 计 算 简 便 并 保 持 略 偏 安 全 的 选 择 一 管 材 最 低 屈 服 应 力 ， MP a ； - 一 设计 系数 。 考虑管 径、 壁厚 及管 材等 偏 差 以及 敷 设地 区 情 况等 因素的一种安全 系数 。对一般 地 区 取 0 ． 7 2 ， 城 镇 郊 区 及 站 区 取 0 ． 6 焊接 系数 ， 对 于 常用 的 AP I管 道 管 材 ， 取 1 ． 0 。 此外 ， 按规范 ， 管道 的刚度要求为管 径 D 与壁厚 E G比不大于某常数 。 3 维普资讯 第 2期 固 体 拉 料 水 力 输 送 管 道 磨 蚀 后 的 运 行 可 靠 性 评 估 图 1 初期 磨 蚀与稳 定 磨 蚀 图 2 管 壁磨 蚀 数据放 大 图 眈≥ D／ 2 4 式 中 z 一 刚 度 系 数 ， 取 1 1 0 。 2 ． 2 管 壁 磨 蚀 试 验 数 据 的 放 大 大 量 磨 蚀 试验 表 明 ， 除 了 时 间 不 太 长 约 2 0 0 3 0 0 h 的 初 期 磨 蚀 外 ， 在 磨 蚀 进 入 稳 定 状 态 后 ， 其 磨 蚀 速 率 基本 保 持 定 值 。磨 蚀 量 壁 厚 与 时 间 t 近 似 成 正 比 见 图 1 。 因 此 ， 管 壁 磨 蚀 量 可 依 照 与 时 间成 正 比 关 系 放 4 a Mr S 大 。图 2中 a 为 试 验 时 间 t 所 得 磨 蚀 数 据均值 ， a 。 为 使用周 期末 放 大后的磨 蚀 量 均 值 。 3磨蚀 后管壁承压和刚 度可靠性评估方法 3 ． 1可 靠 性 模 型 的基 本 概 念 采 用 了 机 械 可 靠 性 设 计 中 的 “ 强 度 应 力 干 涉 模 型 ” 或 广 义 的 所 谓 “ 供 需 模 型 ” 进 行 评 估 。 可 以把 管 壁 磨 蚀 后 作 为 “ 强 度 ” 更 广 义 的 认 为 是 磨 蚀 后 所 能 提 供 的 管 壁 厚 度 ； 而 把 管 壁所承 受的 内压 和 刚 度要 求作 为“ 应 力” 更 广义 的认 为是承受 内压 和刚度所需的壁厚 。 当 “ 强 度 ” 不 少 于 “ 应 力 ” 时 ， 则认 为 安 全 ， 反之 则 认 为 失 效 。也 可 认 为 磨 蚀 后 的 管 壁 厚 度不 小于能满足承压 和刚度要求的壁厚为安 全 ， 反 之 则 失 效 。 于 是 把 管 道 安 全 运 行 可 能 性 的概 率 称 为 可 靠 度 ， 以 R表 示 ， 即 R P r ≥ s 5 式 中r 一 强 度 ； s 一 应 力 ； P 一 管 壁 “ 强 度 ” 不 低 于 “ 应 力 ” 的 概 率 。 在 一 般 情 况 下 ， 强 度 与 应 力 本 身 又 是 某 些 设 计 中 所 考 虑 的 随 机 变 量 的 函 数 。当 以 X 表 示 这 些 随 机 变 量 时 r r x r l ’ X ⋯”X r i I ， s ， ⋯一 f 上 式 中 i 和 j 为 考 虑 影 响 强 度 和 应 力 的 随 机 变 量 个 数 。 由于 这 些 变 量 的 随 机 性 ， 由此 而 构 成 的 r 和 s 也 为 随 机 变 量 图 3 a 。 b c 图 3三种 类 型的 蛆度一 应 力关 系图 Mr S ，●● ●● ， _ 一 ／f 一 ．．。- _ ．．． ．．。． ．．．．。． ．．．．． ．．．． ．．．．． ．．． ．．．．． L 维普资讯 第 2期 水 力 采 煤 与 管 道 运 输 在 特 殊 情 况 下 ， 也 可 能 r 阳 s中 有 一 个 是常量 图 3 b ， 把 s 作为常量 ， 而 r为随机变 量 。 另一种特 殊情况则是两个数 都为常量 ， 这 就 是 常 规 设 计 中取 安 全 系 数 作 为可 靠 度 的表 示 方 法 图 3 c 。 3 ． 2干 涉 概 率 的 计 算 为 了计 算 干 涉 概 率 ， 引 入 干 涉 变 量 Z 或 称功 能变量 的概念 ， 即为 Zr x， l ， ， 2 ⋯ ,1 7 一 s x， l ， ．7 2 ， 2 ⋯ 五』 7 此 变 量 可 描 述 可 靠 性 状 态 当 Z 0时 处 于 安 全 状 态 ， Z ． 4．94 U5 2 一 _ _ 一一 D ‘ ‘‘ 故＆ ≈ 1 ． 0 1 0 0 ％ 6 用 传 统 方 法 的计 算 结 果 ．， 6 传 统 方 法 不 考 虑 随 机 变 量而 只 取 平 均 数 值 作 为 计 算 依 据 ， 即 原 管 壁 厚 E。 取 为 8 ． 6 ram ， 1 0 。 h磨 蚀量 ， E3 取 0 ． 0 1 8 mm ， 放 大 到 2 1 9 1 0 。 h为 E，， ． 一3 ． 9 4 2 ram ， 故 最 终 管 壁厚 为 E1 一 E 一 4 ． 6 5 8 ram 。 计 算 所 需 承 压 管 壁厚 E 一 4 ． 6 0 1 ram 】 取 0 ． 7 2 ， 或 E， 2 5 ． 5 2 1 ram 1 取 0 ． 6 。 且 E1 一E，， ． E， 1 和 E1 一E，， ． 1 ． 4 3 2 ， 完 全 满 足 要 求 。 将 以 上 两 种 计 算 方 法 比较 可 以 看 出 ， 传 统 方 法 未 考 虑 管 壁 与 磨 蚀 量 的 随 机 变 化 ， 因 此 对 承 压 要 求 的 可 靠 性 估 计 过 高 ， 具 有 一 定 的 潜 在 风 险 。 但 对 刚 度 要 求 的 可 靠 性 ， 可 以满 足要求 ， 并有 相当大的裕量 。 主要 参考 文献 董 玉 革 ．机 械 模 糊 可 靠 性 设 计 ．北 京 。 机 械 工 业 出版 杜 ， 20 0 0 扬 伟 军 、 赵 传 督 ．土 未 工 程 结 构 可 靠 度 理 论 与 设 计 ． 北 京 人 氏 交通 出版 社 ， 1 9 9 9 中 田 工 程 建 设 标 准 化 协 会 标 准 ．浆 体 长距 离 管 道 输 遇 工 程 设 计 规 程 由慎 扬 等 ．原 油 管 道 工 程 ．北 京 ； 石 油 工 业 出版 社 ， 1 9 91 丁 宏 达 ．浆 体 管 道 摩 l掘 的 影 响 因 素研 完 ．冶 金 矿 山 设 计与建 设 ， 1 9 9 2 以下略 S t稿 日期 l 2 0 03 0 2 1 6 ] ] ] ] n 维普资讯