导读:某发电厂蒸汽管道运行数年后,由于高温引起的安装应力使
某发电厂蒸汽管道运行数年后,由于高温引起的安装应力使管道支吊架松弛,管道结构发生变形,导致非计划性停机检修,影响电网经济和安全运行。为找出管道的*大应力及应力分析,对高温压力下的蒸汽管道进行现场应力测试,通过重新合理调整支吊架,大幅降低了管道结构应力并达到延寿的目的,实际验证表明该方法具有良好的降应力效果。
蒸汽管道的结构和测点布置
蒸汽管道材料为10CrMo910,断面为D273*45mm,管系共安装8个支吊架,其中5处安装弹簧吊架(P2、P3、P4、P6、P7),2处为导向支架(P1、P5),1处限位支架P8。管道长期运行后,由于高温高压引起的安装应力和附加弯矩,在垂直28m的管道上有4个吊架产生了塑变,垂直管道整体偏离安装轴线,同时在机组启动、变负荷期,应力交变重复出现,管子频繁地经受弯曲疲劳,并有较明显地振动,管道与高压包的连接处严重变形,产生缝隙发生蒸汽的大量泄露。机组运行时,管道系统受到重力、内压和温度应力的联合作用,为揭示应力与温度变化关系,在机组大修期间,对其长期在高温高压下运行的蒸汽管道的工作应力进行了现场测试,通过电阻应变仪监视起动过程中管道测点部位应变变化情况,利用弹性理论的公式由记录的应变值计算出不同参数时的应力水平。本次测试选择了3个截面9个点。另在Ⅲ截面内侧安装了2个百分表测膨胀位移,用于分析管系的位移和由此产生的管道推力,从而达到全面分析管系受力强度目的,同时,在3个截面各装一对热电偶,随时监测这些截面的实际工作温度。
测试方案和结果分析
测点选择的原则是管系应力*大部位,根据管系的结构、走向、支吊架设置,本次测试选择了3个约束刚度*大的部位安装高温应变片,在吊架调整前测出这些部位原始受力状态,为合理调整应力提供依据。测量以机组冷态为零应力状态,测试分2个阶段进行。第1阶段,吊架调整前从冷态升至额定温度和压力,测出各点的应力后停机回到冷态,根据实测应力调整吊架。进行第2阶段测试,从冷态升至额定温度和压力,再次测试各点的应力。吊架调整前后2次数据进行对比,验证了调整后的关系降应力效果(见表1)。表1中的应力值是一次应力和二次应力之和,包含了设计中无法和没有考虑的因素,弥补了设计、施工和实际运行之间的差异。较完整地反映了管系由启动到额定参数时各个阶段的管系应力值,真实地显示了管系的应力水平,是评定关系安全性评估剩余寿命的主要科学依据。
表1 吊架调整前后各测点应力值
测点 |
方向 |
调整前应力/MPa |
调整后应力/MPa |
|||||
194℃/0.15MPa |
295℃/1.25MPa |
408℃/1.86MPa |
498℃/7.38MPa |
533℃/13.5MPa |
室温 |
533℃/13.5MPa |
||
1 |
Ε90 |
56.6 |
59.6 |
91.7 |
97.0 |
107.2 |
-15.5 |
40.3 |
Ε45 |
57.3 |
64.9 |
85.6 |
99.4 |
103.6 |
-14.5 |
45.1 |
|
Ε0 |
69.1 |
67.3 |
76.9 |
91.8 |
104.1 |
-6.04 |
38.4 |
|
2 |
Ε90 |
75.5 |
91.1 |
95.0 |
98.6 |
97.9 |
-6.91 |
56.2 |
Ε45 |
75.1 |
88.7 |
82.9 |
89.6 |
97.5 |
-0.21 |
46.9 |
|
Ε0 |
31.5 |
87.8 |
95.3 |
106.1 |
112.9 |
-7.34 |
55.7 |
|
3 |
Ε90 |
83.0 |
94.5 |
98.4 |
96.8 |
101.7 |
3.5 |
78.4 |
Ε45 |
57.7 |
99.1 |
108.3 |
108.8 |
113.7 |
-2.47 |
75.4 |
|
Ε0 |
31.3 |
66.3 |
76.0 |
79.8 |
90.7 |
-0.64 |
72.9 |
|
4 |
Ε90 |
56.1 |
60.9 |
63.9 |
62.1 |
65.3 |
||
Ε0 |
39.7 |
42.8 |
37.4 |
43.9 |
54.6 |
|||
5 |
Ε90 |
74.9 |
88.1 |
81.7 |
90.3 |
95.0 |
-10.6 |
51.2 |
Ε0 |
75.5 |
71.2 |
82.9 |
85.6 |
88.6 |
-18.6 |
37.1 |
|
6 |
Ε90 |
67.1 |
71.3 |
74.5 |
88.5 |
72.4 |
-5.5 |
49.1 |
Ε45 |
66.9 |
69.4 |
98.9 |
93.7 |
68.0 |
-4.03 |
43.8 |
|
Ε0 |
62.3 |
73.8 |
65.9 |
82.7 |
55.1 |
-3.04 |
42.3 |
|
7 |
Ε90 |
59.8 |
62.3 |
91.1 |
93.4 |
94.7 |
0 |
57.5 |
Ε45 |
70.6 |
88.5 |
95.9 |
88.1 |
74.7 |
-1.72 |
55.5 |
|
Ε0 |
60.6 |
64.3 |
61.7 |
68.5 |
58.9 |
-0.74 |
50.1 |
|
8 |
Ε90 |
78.0 |
77.8 |
83.7 |
74.4 |
75.3 |
-11.0 |
55.1 |
Ε0 |
65.4 |
85.0 |
76.6 |
74.9 |
63.9 |
-10.4 |
46.7 |
|
9 |
Ε90 |
65.6 |
88.4 |
89.1 |
91.7 |
98.7 |
2.76 |
76.5 |
Ε45 |
64.1 |
74.4 |
83.6 |
87.9 |
93.9 |
1.51 |
74.6 |
|
Ε0 |
56.5 |
63.2 |
70.5 |
77.4 |
84.0 |
2.7 |
71.6 |
在吊架调整前,在Ⅲ截面主管道90°拐弯处两侧各有一个定向支座,使管道不能沿径向位移,而此管道的轴向位移为14.88mm。可以看出,这里的管道应力不仅受内压载荷外,还受到轴向产生的额外附加力矩的影响。从测点7轴向应力(σε90=94.7MPa)明显大于同一点的环向应力(σε0=58.9MPa)。结果表明,轴向应力*大处在Ⅰ截面测点1(σε90=107.2MPa),主要原因是管道上4个吊架产生了塑变,Ⅱ截面测点3*大轴向应力σε90=101.7MPa,环向应力σε0=90.7MPa;测点6轴向应力σε90=72.4MPa,环向应力σε0=55.1MPa。结果表明,在90°弯道处有附加弯曲力矩对管道产生影响。在Ⅲ截面测点9轴向应力σε90=98.7MPa,环向应力σε0=84.0MPa,表明也有附加弯矩应力。
吊架调整后,Ⅰ截面测点1、2在额定温度和*大气压下,管道轴向和环向应力下降了35%-55%,Ⅱ截面测点3、6的轴向和环向应力下降了20%-30%,Ⅲ截面测点7、9轴向和环向应力下降18%-35%,同时也表明在管道的90°弯道处,调整吊架后,大部分附加弯矩产生的应力被消除,尽可能地减小了安装产生的应力。测点4在维修过程中有损坏,其他测点的应力都有不同程度的下降。
总结
实测数据表明,吊架调整后把管道应力重新分配而较合理,产生了明显地降应力效果,说明该方案有效,结构应力状态是其使用寿命的关键调控因素,通过现场高温应变实测,获得了结构温度对管道应力的影响规律,对高温压力管道延寿研究及进一步的寿命管理具有重要的意义。
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