基于振動(dòng)特性的高溫管線蠕變損傷的識(shí)別

王 寧, 涂善東, 謝國(guó)福, 劉 龍

(1.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200237;2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,成都 610041;3.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院,上海 200135)

在石油化工、火力發(fā)電及核電工業(yè)中運(yùn)行著許多受壓的高溫設(shè)備與管道,尤其以火力發(fā)電廠和核電站中的高溫高壓蒸汽管線最為常見(jiàn).目前,高溫復(fù)雜管系的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題正日益引起人們的重視.一方面,我國(guó)正大力發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù),溫度和壓力的提高增加了安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn);另一方面,我國(guó)許多電廠的蒸汽管道逐漸進(jìn)入老齡期,已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)了其設(shè)計(jì)壽命,但是出于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面的原因還不能更換,存在很大的安全隱患.一旦發(fā)生事故,將嚴(yán)重威脅機(jī)組設(shè)備和發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至危及人身安全.

1 基于振動(dòng)特性的管道損傷識(shí)別的研究進(jìn)展

隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),高溫管系由于蠕變或疲勞等原因,不可避免地產(chǎn)生內(nèi)部損傷,能否檢測(cè)出這些損傷對(duì)工廠的安全運(yùn)行至關(guān)重要.在檢測(cè)管道損傷方面,目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的方法有超聲波、漏磁、工業(yè)X射線和渦流等.但這些方法也存在一些不足之處,如對(duì)于復(fù)雜管線損傷識(shí)別的局限;受外界環(huán)境條件的影響比較大;難以實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等.

研究能夠應(yīng)用到大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)方法已成為迫切要求,在這方面基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的損傷識(shí)別方法具有很大優(yōu)勢(shì).

基于振動(dòng)特性的損傷識(shí)別[1-2]的基本思想是:損傷的出現(xiàn)將引起結(jié)構(gòu)物理特性(如剛度、質(zhì)量和阻尼等)的變化,進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性(如固有頻率和振型等)的變化.因此,根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的變化能夠識(shí)別出結(jié)構(gòu)的損傷.基于振動(dòng)特性的損傷識(shí)別方法有很多特點(diǎn),主要表現(xiàn)在:

(1)具有非破壞性、方便、快速和廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于大型工程結(jié)構(gòu),可以利用環(huán)境激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)來(lái)進(jìn)行.

(2)振動(dòng)測(cè)試可以在結(jié)構(gòu)處于工作狀態(tài)下進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).

(3)易于把傳感器安裝在結(jié)構(gòu)深處,可以用作振動(dòng)診斷的信號(hào)類型多、量值變化范圍大,而且是多維的.

(4)隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集、傳輸及實(shí)時(shí)分析處理技術(shù)的快速發(fā)展,振動(dòng)測(cè)試技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)診斷系統(tǒng)的自動(dòng)化、小型化和遠(yuǎn)程化.

對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋采用振動(dòng)方法進(jìn)行分析可以追溯到1978年Adam s等[3]的研究工作,經(jīng)過(guò)近30年的研究,結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的振動(dòng)方法取得了很大的進(jìn)展[4-5].目前,在高溫管線的動(dòng)力學(xué)特性及基于振動(dòng)測(cè)試的損傷識(shí)別方面,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的研究.

在損傷方面,一般利用管道頻率和響應(yīng)信號(hào)的變化來(lái)判斷是否已經(jīng)出現(xiàn)損傷.如M urigendrappa等[6]提出了在不同壓力下利用頻率的變化來(lái)識(shí)別充液管裂紋損傷,并且通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性.凌祥[7]提出一種測(cè)定蠕變損傷和臨界損傷因子的自振頻率法,并應(yīng)用該方法測(cè)定了25Cr20Ni合金的蠕變損傷和臨界損傷因子.徐大清[8]通過(guò)分析觀測(cè)信號(hào)的正交小波頻譜隨時(shí)間的變化情況來(lái)研究管道損傷.邵劍文[9]基于分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行了海底管道的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的研究工作.史平洋等[10]開(kāi)發(fā)了電站鍋爐高溫受壓元件蠕變和低周疲勞壽命損傷計(jì)算及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).但總體看來(lái),基于振動(dòng)特性的高溫管道損傷識(shí)別的研究還不多,有待進(jìn)一步深化.

2 主蒸汽管線情況

本文針對(duì)某大型石化企業(yè)自備電站的高溫管系進(jìn)行研究.管系主要由6臺(tái)鍋爐給4臺(tái)汽輪機(jī)供應(yīng)發(fā)電用蒸汽.其中,1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和6號(hào)鍋爐的蒸汽分為三部分:一部分直接供應(yīng)一臺(tái)汽輪機(jī),一部分進(jìn)入蒸汽母管,剩余一部分則進(jìn)入點(diǎn)火管;2號(hào)和5號(hào)鍋爐的蒸汽則分為兩部分:一部分進(jìn)入母管,另一部分進(jìn)入點(diǎn)火管.另外,每臺(tái)汽輪機(jī)除了有一臺(tái)鍋爐直接供汽外,還有部分蒸汽來(lái)自點(diǎn)火管.圖1為該自備電站的管線系統(tǒng)示意圖.表1給出了主蒸汽管線的尺寸.

圖1 某自備電站的管線系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram for pipeline system of a selfcontained power plant

表1 主蒸汽管線尺寸Tab.1 Dimension of main steam pipeline

該高溫管系分布十分復(fù)雜,結(jié)構(gòu)尺寸較大,采用連續(xù)體單元進(jìn)行管系的應(yīng)力應(yīng)變分析顯然是不經(jīng)濟(jì)的.根據(jù)管系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),針對(duì)連續(xù)結(jié)構(gòu),可以采用管單元進(jìn)行分析.采用管單元分析管系的應(yīng)力應(yīng)變時(shí),首先可以得到管系整體應(yīng)力應(yīng)變的分布,然后對(duì)于一些不連續(xù)結(jié)構(gòu),可以局部采用連續(xù)體單元作進(jìn)一步分析.這種全局分析輔以局部剖析的方法可以最大程度地減少計(jì)算量,同時(shí)也能夠保證足夠的精度.另外,對(duì)高溫工況下管系結(jié)構(gòu)的另一指標(biāo)蠕變壽命進(jìn)行分析時(shí),同樣可以采用管單元的方式.

由于管道系統(tǒng)的重復(fù)性以及固定支架在管道系統(tǒng)應(yīng)力分析中的分割作用,對(duì)不同管道采用的分析方法基本一樣,本文僅對(duì)4號(hào)汽輪機(jī)的供氣管道進(jìn)行分析.這部分管道包括6號(hào)鍋爐到4號(hào)汽輪機(jī)的主管道和點(diǎn)火管,點(diǎn)火管通往汽輪機(jī)以及蒸汽母管到點(diǎn)火管的主蒸汽管道(彎管半徑R=1 370 mm),主蒸汽管道到點(diǎn)火管的連接管道以及部分點(diǎn)火管(彎管半徑R=600 mm)和部分母管(彎管半徑R=1 500 mm).管線系統(tǒng)全局與局部示意圖見(jiàn)圖2.

圖2 管線系統(tǒng)全局與局部示意圖Fig.2 Global and local layout of the pipeline system

3 高溫?fù)p傷管道的動(dòng)力學(xué)分析

高溫管系在運(yùn)行過(guò)程中受到蠕變疲勞的交互作用,不可避免地會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部破壞,如不及時(shí)采取措施,損傷逐漸累積就會(huì)導(dǎo)致管道失效.本文所涉及的損傷主要是指高溫蠕變損傷.高溫結(jié)構(gòu)損傷的及時(shí)判斷對(duì)工廠的安全運(yùn)行至關(guān)重要,是工程上迫切需要解決的難題.在這方面,基于振動(dòng)特性的損傷方法具有顯著的優(yōu)勢(shì).一般,通過(guò)管道頻率和響應(yīng)信號(hào)的變化來(lái)判斷是否已經(jīng)出現(xiàn)損傷,但專門針對(duì)高溫管道的振動(dòng)模態(tài)損傷識(shí)別的研究也不多.

3.1 高溫管系的模態(tài)分析

高溫管系的尺寸及材料參數(shù)見(jiàn)表2,前4階固有頻率見(jiàn)表3,振型見(jiàn)圖3.

表2 管道設(shè)計(jì)參數(shù)及材料參數(shù)Tab.2 Design parameters and material properties of the pipeline system

表3 總體管系的前4階固有頻率Tab.3 The1st-4th order natural frequency of the pipeline system Hz

從計(jì)算結(jié)果可以看出,整體管系為典型的低頻振動(dòng)系統(tǒng),振幅最大處出現(xiàn)在連接鍋爐與蒸汽母管的長(zhǎng)管道上,應(yīng)加強(qiáng)此處的管系約束,防止汽流擾動(dòng)、地基不穩(wěn)等引起管道振動(dòng)而威脅高溫管系的安全運(yùn)行.

3.2 損傷前后彎管頻率的變化特性

根據(jù)高溫管系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選取典型彎管進(jìn)行損傷管道的動(dòng)力學(xué)特性分析.取母管彎管為研究對(duì)象,其半徑R=1 500 mm,兩端固支,截面為 Φ366.5 mm×36 mm,材料與主蒸汽管線的材料一致.

3.2.1 損傷彎管頻率的計(jì)算

與直管類似,同樣考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,選取損傷的位置為:距固定支點(diǎn)沿圓周方向分別為 11.25°、22.5°、33.75°和 45°,分別產(chǎn)生 10%、30%、50%和70%的蠕變損傷,采用管單元進(jìn)行分析,但需要進(jìn)行單元細(xì)化.

在不同位置出現(xiàn)不同程度的損傷后,第1～4階頻率的變化情況示于圖4.不同損傷程度彎管段的第1～4階頻率的變化示于圖5。

3.2.2 損傷彎管頻率計(jì)算的討論

從計(jì)算結(jié)果可以看出,損傷的出現(xiàn)與結(jié)構(gòu)固有頻率的下降緊密相關(guān),利用頻率進(jìn)行高溫管道損傷識(shí)別具有如下特點(diǎn):

(1)損傷位置對(duì)不同階次頻率的影響不同,通過(guò)這一性質(zhì)可以判斷損傷發(fā)生的位置.

(2)損傷程度對(duì)同一階次頻率的影響近似為線性關(guān)系,可以較容易地識(shí)別損傷程度(圖5).

(3)由于固有頻率是工程中較易獲得的模態(tài)參數(shù),故其精度容易保證;同時(shí)頻率的整體辨識(shí)特性使測(cè)量點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際情況確定.

圖3 無(wú)損傷總體管系的第1～4階位移振型Fig.3 The 1st-4 th order displacement mode of the in tact pipeline system

圖4 損傷彎管段的第1～4階固有頻率Fig.4 The 1st-4th order natural frequency of elbow pipes with different dam age severities

基于頻率的損傷識(shí)別方法具有一定的優(yōu)勢(shì),但在計(jì)算中也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題,主要體現(xiàn)在:

(1)固有頻率對(duì)管道早期損傷并不十分敏感,對(duì)輕微損傷和局部損傷的探測(cè)較困難.

(2)不同位置的損傷對(duì)不同階次的頻率影響不同,而精確地獲得高階固有頻率的變化是很難的.

考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)不可避免地受到測(cè)量噪聲的影響,單純依賴頻率變化進(jìn)行高溫管道損傷識(shí)別具有較大的難度.

圖5 不同損傷程度彎管段的第1～4階頻率的變化Fig.5 Variation of the 1st-4th order frequency of elbow pipe under different damage conditions

3.3 損傷前后彎管沖擊響應(yīng)的變化特性

3.3.1 損傷彎管沖擊響應(yīng)的計(jì)算

考慮到固支彎管段的對(duì)稱性,沖擊激勵(lì)點(diǎn)選在中點(diǎn)處,在1/4彎管處出現(xiàn)10%、30%、50%和70%的損傷后,利用ABAQUS計(jì)算在中點(diǎn)處的響應(yīng)特性.圖6為損傷彎管段受沖擊后的響應(yīng)變化.

圖6 損傷彎管段受沖擊后的響應(yīng)變化(1/4彎管處)Fig.6 Impulse response of damaged elbow pipe(at one fourth position)

3.3.2 損傷彎管沖擊響應(yīng)計(jì)算的討論

通過(guò)計(jì)算在脈沖激勵(lì)下不同損傷彎管結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)的變化特性,可以發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn):

(1)隨著損傷程度的增加,損傷前后沖擊響應(yīng)的變化越來(lái)越明顯,可以很清楚地判斷出損傷的發(fā)生.

(2)損傷位置的變化對(duì)沖擊響應(yīng)的影響不同.

(3)與頻率相比,基于響應(yīng)信號(hào)的識(shí)別方法更適合高溫管道損傷.如在發(fā)生30%損傷時(shí),損傷前后彎管頻率變化的絕對(duì)值不到1%,而響應(yīng)振幅的變化能達(dá)到10%左右(如圖6(b)所示).

但從計(jì)算結(jié)果可以看出,對(duì)于較小損傷(如10%)的情況,響應(yīng)信號(hào)的變化依然不明顯.需要進(jìn)一步研究更適合的動(dòng)力學(xué)參數(shù),如應(yīng)變、振型等,引入更先進(jìn)的信號(hào)處理手段,并與其他損傷方法相結(jié)合,才能實(shí)現(xiàn)高溫管道的在線、實(shí)時(shí)、精確的損傷監(jiān)測(cè).

4 結(jié) 論

(1)在微小損傷的條件下,高溫直管/彎管的頻率變化較小,考慮到實(shí)際測(cè)量噪聲的影響,單純從結(jié)構(gòu)的固有頻率變化來(lái)識(shí)別微小損傷是比較困難的.

(2)通過(guò)分析沖擊響應(yīng)的變化可以判斷是否已經(jīng)出現(xiàn)損傷,特別是在損傷大于30%時(shí),而且彎管沖擊響應(yīng)的變化較直管更明顯.沖擊響應(yīng)對(duì)于判斷較小損傷依然是比較困難的.

(3)基于振動(dòng)特性的高溫管道損傷識(shí)別方法具有較好的應(yīng)用前景,但需要更進(jìn)一步的深入研究,才能應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別.

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