火電廠鍋爐汽水管道應力計算研究
2010-12-31 00:00:00黎雄
現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè) 2010年8期
摘 要:鍋爐汽水管道作為一種以低碳鋼、低合金鋼和高鉻鋼為管材的壓力管道，汽水管道的應力驗算是火力發(fā)電廠設計工作的一個重要組成部分，不可缺少的環(huán)節(jié)，主要從理論上對火電廠鍋爐汽水管道應力分析以及計算進行概述。
關鍵詞:火電廠鍋爐;汽水管道;應力分析;應力計算
中圖分類號:TP
文獻標識碼:A
文章編號:1672-3198(2010)08-0286-02
1 管道應力分析
1.1 應力分析
管道承受的內(nèi)壓和持續(xù)外載(包括自重產(chǎn)生的拉力和支吊架反力)屬一次應力。它必須滿足外部、內(nèi)部力和力矩的平衡法則。一次應力的基本特征是非自限性的，它始終隨所加荷載的增加而增加，超過屈服極限或持久強度，將使管道發(fā)生塑性破壞，或者總體變形。因此，必須防止發(fā)生過度的塑性變形，并為爆破或蠕變失效留有足夠的裕度。
管道因熱脹、冷縮等變形受約束而產(chǎn)生的應力屬二次應力。熱脹二次應力不是直接與外力相平衡，而是由管道各部分變形來協(xié)調適應的，與一次應力不同，它具有自限性。當管道產(chǎn)生局部屈服和小量塑性變形時，能將管道二次應力降低，應力重新分布，使管道在工作狀態(tài)和冷狀態(tài)的應變達到自均衡。對于塑性良好的管材，一般管系在初次加載時，熱脹二次應力是不會直接導致管道破壞的，若應變在多次重復交變情況下，可能引起管道和附件的疲勞破壞。因此，對二次應力的限定，并不取決于一個期間的應力水平，而是取決于交變應力范圍和交變循環(huán)次數(shù)。
通常我國發(fā)電機組交變應力次數(shù)取7000次，同時將最大合成應力控制在1.25([σ]20+[σ]′)范圍內(nèi)，則汽水管道不會出現(xiàn)反復塑性變形，在7000次交變應力次數(shù)以內(nèi)，亦不會出現(xiàn)低周疲勞破壞，但超過了7000次后，管道可能出現(xiàn)疲勞破壞。
1.2 應力限制的最大范圍
按照虎克定律，管道在受外載作用下不發(fā)生屈服時，應力與應變呈線性關系。但當管道的應力和應變超過屈服極限后，材料將進入塑性區(qū)，此時虎克定律不再適用，需要用到曼森“彈性——應變不變性”假定。其認為，在小變形范圍內(nèi)，按照彈性計算的應變數(shù)值大致與按照塑性計算的應變相同，超過屈服極限以后，可以將高出屈服極限的彈性應力認為是塑性應變的量度，在非蠕變溫度條件下，只要彈塑性材料上的最大應力范圍限制在兩倍屈服極限以內(nèi)，結構將安定在彈性狀態(tài)。
根據(jù)極限分析和安定性分折理論，材料在不發(fā)生塑性變形的連續(xù)循環(huán)，管道在有限量塑性變形之后，能安定在彈性狀態(tài)。管道從拉伸屈服至壓縮屈服的總彈性應力應變范圍是兩倍屈服極限(即2σs)。循環(huán)荷載引的應力超過兩倍屈服極限，結構將發(fā)生交替性破壞或增量破壞(失穩(wěn))。上述理論分析的結論認為對管道應力限制的最大應力范圍，其應力幅值不超過兩倍屈服極限。目前在火力發(fā)電廠汽水管道應力計算技術規(guī)定中，應力驗算均遵循上述理論分析的結論。
2 應力計算
2.1 一次應力
一次應力指為了平衡內(nèi)壓或其它機械荷載所必須的正應力或剪應力，它所引起的總體塑性流動是非自限性的。表現(xiàn)在管道上即由內(nèi)壓、自重和其它外載(包括持續(xù)荷載和偶然荷載)作用下所產(chǎn)生的應力，當它超過管子材料的屈服極限時，構件即產(chǎn)生塑性變形，嚴重時會直接導致管道的破壞。一次應力對應管材的彈力強度，是首先必須滿足的。
DL/T5366-2006《火力發(fā)電廠汽水管道應力計算技術規(guī)程》和美國ASME B31.1標準均規(guī)定管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓產(chǎn)生的折算應力不得大于鋼材在設計溫度下的許用應力:
D0——管子外徑(mm);
S——管子實測最小壁厚(mm);
Y——溫度對計算管子壁厚公式的修正系數(shù);
α——考慮腐蝕、磨損和機械強度的附加厚度(mm);
η——許用應力的修正系數(shù);
MA——由于自重和其他持續(xù)外載作用在管子橫截面上的合成力矩(N·mm);
W——管子截面抗彎矩(mm3)，對直管和彎管;
W=π(D40-D4i)/(32D0)，對于支管接管座，W=π(r'mb)2Sb;
rmb'和Sb分別為支管平均半徑及接管座加強有效壁厚;
[σ]t——鋼材在設計溫度下的許用應力(MPa);
i——應力增強系數(shù)，0.75i不得小于1;
K——系數(shù)，當任何24h連續(xù)運行時間內(nèi)存在超溫超壓或偶然荷載作用時間少于10%時，K=1.15，少于1%時，K=1.20，若穩(wěn)定運行，則K=1;
MB——安全閥或釋放閥的反座推力、管道內(nèi)流量和壓力的瞬時變化及地震等產(chǎn)生的偶然荷載作用在管子橫截面上的合成力矩(N·mm)。只有在地震烈裂度為8度及以上地區(qū)建廠，并已在設計合同中規(guī)定應對該管道考慮地震的影響時，才進行管道地震的驗算。在驗算時，MB中的地震力矩只取用變化幅度的一半。
2.2 熱脹二次應力
二次應力指為滿足外部約束或結構自身變形連續(xù)要求所需的正應力或剪應力，具有自限性的特點。表現(xiàn)在管道上即由熱脹冷縮及位移受約束時所產(chǎn)生的應力，這類應力不會直接導致管子破壞，但可使管道產(chǎn)生局部屈服和小量塑性變形，能破壞管道的安定性。二次應力是以一次應力的評定為基礎的。管道的熱脹應力按冷熱態(tài)的應力范圍驗算，因為管道熱脹受約束時所產(chǎn)生的初始應力并非恒定不變。在熱態(tài)工況下，如果初始熱應力達到某一限定值，則會由于局部屈服或蠕變而出現(xiàn)應力降低現(xiàn)象，所降低的應力，當管系回到冷狀態(tài)時，往往會在反方向出現(xiàn)。這種自彈的現(xiàn)象，類似管系的冷緊，稱為自拉。自拉的量值很難做準確的度量。盡管管系應力松弛系數(shù)是個未知數(shù)，但管系在任一循環(huán)中冷熱態(tài)應變量的總和大體是不變的。為了計算方便，管道熱脹應力的計算采用全補償值和鋼材在20℃的彈性模量，得出應力范圍，這樣就可以將復雜的彈塑性管系簡化成當量彈性體進行分析。采用此驗算方法時忽略了熱脹應力對管道可能產(chǎn)生的蠕變以及材料在拉伸屈服后再承受壓縮時，其壓縮屈服極限將略小于原來冷態(tài)屈服極限的鮑辛格效應。
對國產(chǎn)鋼材和部分德國鋼材管系熱脹應力范圍必須滿足下式要求:
σE=iMCW≤f[1.2[σ]20+0.2[σ]t+([σ]t-σL)]
對美國鋼材管系熱脹應力范圍必須滿足下式要求:
σE=iMCW≤f[1.25[σ]20+0.25[σ]t+([σ]t-σL)]
上述二式中:
[σ]20——鋼材在20℃時的許用應力(Mpa);
Mc——按全補償值和鋼材在20℃時的彈性模量計算的熱脹引起的合成力矩(N·mm);
σe——熱脹應力范圍(MPa);
σL——由于內(nèi)壓、自重和其它持續(xù)外載所產(chǎn)生的軸向應力之和(MPa);
f——應力范圍的減小系數(shù)，在電廠預期的運行年限內(nèi)，該值與管道全溫度周期性的交變次數(shù)N有關。
通常計算中N取值7000，但需注意，當N=7000時，國產(chǎn)鋼材的f取值為0.8136，而美國鋼材的f取值為1。且美國鋼材的二次應力不能使用國產(chǎn)鋼材的公式進行驗算。
2.3 一次加二次應力
管道在熱態(tài)和冷態(tài)所能維持的應力水平，可以根據(jù)材料強度或疲勞強度來確定，取二者的較小值。對于一般熱力管道所采用的鋼材，在冷態(tài)時往往以疲勞強度作為控制條件，在熱態(tài)時則以高溫強度作為控制條件。DL/T5366-2006《火力發(fā)電廠汽水管道應力計算技術規(guī)程》規(guī)定一次加二次應力的許用應力范圍限定為≤1.25([σ]20+[σ]t)。
2.4 推力、力矩和抗彎矩計算
2.4.1 推力、力矩的考慮
管道對設備(端點)的推力和力矩考慮熱脹、端點附加位移、有效冷緊和自重，按鋼材在計算溫度下的彈性模量計算。根據(jù)管道運行時不同工況分別有:
(1)按熱脹、端點附加位移、有效冷緊、自重和其它持續(xù)外載及支吊架反作用力作用條件，計算管道運行初期工作狀態(tài)下的推力和力矩，這是考慮運行初期，管道松弛前初始狀態(tài)可能出現(xiàn)推力和力矩的最大值。偶然荷載引起的推力和力矩，如安全閥的排放或管道內(nèi)流量和壓力的瞬時變化等引起的作用力，屬于非周期性的荷載，通常不必滿足設備的許用值。
(2)按冷緊、自重和其它持續(xù)荷載及支吊架反力作用條件計算管道運行初期冷狀態(tài)下的推力和力矩，這是考慮在冷狀態(tài)下初始安裝冷緊時可能出現(xiàn)的最大值，若沒有冷緊，則不必考慮。
(3)按應變自均衡，自重和其它持續(xù)外載及支吊架反力作用條件計算管道應變自均衡后在冷狀態(tài)下的推力和力矩，這是考慮管道松弛后，自拉產(chǎn)生的冷縮力和力矩。采用各工況下下可能出現(xiàn)的最大值進行驗算，尤其是對汽輪機和泵等敏感設備，應特別慎重，因為即使是短時間內(nèi)作用力過大，也會對設備造成不良的影響。
2.4.2 力矩和抗彎矩計算
a、直管元件、彎管和彎頭合成力矩按下式計算:
M1=M2xj+M2yj+M2zj
式中j——各力矩的注腳A、B或C
b、直管元件、彎管和彎頭的截面抗彎矩w，按下式計算:
W=π32D0(D40-D41)
3 結束語
本文從理論基礎角度分析了火電廠鍋爐水汽管道的設計計算，進行了管道的應力分析、應力計算等研究。
在實際的管道應力計算中，很多時候都不是計算一次就能得到滿意的結果，這就需要我們對管道進行反復修改。根據(jù)經(jīng)驗，如果是管道一次應力通不過，則可以改變管道壁厚或增加支吊點來改善;如果二次應力通不過，則管道柔性不夠，可能是管道布置不合理或固定點設置不合理，可以通過適當增加型彎或調整固定點位置來解決。此外，還有一些常見問題諸如位移過大，支吊點或端部荷載過大，支吊點脫空等，都可以通過相應的措施進行調整解決，以達到管道設計的最優(yōu)化。
參考文獻
[1]DL/T5054.火力發(fā)電廠汽水管道設計技術規(guī)定[S].1996.
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