朱曉鋒,陳 騁,蔣思陽(yáng)
(蘇州熱工研究院有限公司,江蘇 蘇州 215004)
電廠汽水管道支吊架的作用是承受管道重力、偶然的沖擊載荷和控制管道在工作狀態(tài)下的位移和振動(dòng)。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的累積,管道支吊架狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)變化,一旦支吊架部分或全部喪失其功能,管道承載和約束條件將發(fā)生變化,管道位移和應(yīng)力分布將偏離設(shè)計(jì)狀態(tài),管道應(yīng)力峰值增高,局部可能超過(guò)管材許用應(yīng)力,加快高溫管道高應(yīng)力蠕變損傷,縮短管道應(yīng)有的使用壽命。
應(yīng)變測(cè)試技術(shù)是應(yīng)用最廣泛和適用性最強(qiáng)的應(yīng)力應(yīng)變分析方法之一。其中,應(yīng)變電測(cè)法主要使用電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量,電阻應(yīng)變計(jì)具有測(cè)量準(zhǔn)確度和靈敏度高、測(cè)量范圍廣的特點(diǎn),能連續(xù)測(cè)量和記錄,能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量;此外,它還能方便地應(yīng)用于控制系統(tǒng)中,使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。因此,應(yīng)變電測(cè)法逐步應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中。
高壓給水加熱器系統(tǒng)(AHP)的功能是利用汽輪機(jī)高壓缸的抽汽加熱給水,并接收汽水分離再熱器疏水,以進(jìn)一步提高機(jī)組熱力循環(huán)效率。高壓給水加熱器系統(tǒng)包括給水系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、放氣系統(tǒng)及卸壓系統(tǒng)。AHP疏水管道B列有限元模型如圖1所示。
疏水系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中,汽水分離再熱器第1級(jí)再熱器的疏水經(jīng)隔離閥和控制閥排入高壓加熱器疏水箱,其閃發(fā)蒸汽則進(jìn)入高壓加熱器汽側(cè),疏水箱疏水先進(jìn)入高壓加熱器殼體與高壓加熱器自身的疏
水匯集后,經(jīng)過(guò)疏水閥(217VL)所在管道排往除氧器。疏水量由高壓加熱器水位控制器自動(dòng)控制,當(dāng)水位過(guò)高時(shí),開(kāi)啟應(yīng)急疏水閥(218VL)直接排往冷凝器。另外,當(dāng)機(jī)組負(fù)荷小于40 %額定負(fù)荷時(shí),由于抽氣壓力較低,高壓加熱器內(nèi)壓力不足以把疏水送到除氧器,則由高水位信號(hào)開(kāi)啟應(yīng)急疏水閥把疏水直接排往冷凝器。在機(jī)組大修停機(jī)降功率過(guò)程中,位于立管管道編號(hào)為AHP-L041-S028的立管彈簧吊架彈簧發(fā)生破壞,彈簧箱上部頂板脫落。
圖1 AHP疏水管道B列有限元模型
AHP疏水管道B列AHP-L041-S028可變彈簧吊架為Carpenter & Paterson Ltd產(chǎn)品,該產(chǎn)品彈簧箱與彈簧壓板的連接方式并非焊接,而是采用搭接方式。該連接方式的優(yōu)點(diǎn)是能保護(hù)管道、降低管道損傷,即在出現(xiàn)緊急情況時(shí)以彈簧破壞為代價(jià)保護(hù)管道。因此,預(yù)判AHP-L041-S028可變彈簧吊架發(fā)生破壞的原因是,在大修停機(jī)降功率過(guò)程中,該處的載荷超過(guò)了彈簧承載的最大允許值。
經(jīng)研究,能夠引起彈簧超載的原因主要有以下4點(diǎn):
(1) 管道布置設(shè)計(jì)不合理,導(dǎo)致管道應(yīng)力超標(biāo),載荷超過(guò)彈簧允許值;
(2) 彈簧安裝或設(shè)計(jì)不合理,導(dǎo)致彈簧承受的實(shí)際載荷超出設(shè)計(jì)載荷;
(3) 運(yùn)行操作不當(dāng),導(dǎo)致管道發(fā)生振動(dòng)或沖擊;
(4) 閥門(mén)卡澀導(dǎo)致管道發(fā)生振動(dòng)或沖擊。
因此,首先對(duì)該管道進(jìn)行校核,校核前后彈簧的參數(shù)值如表1所示。可知,彈簧校核值與設(shè)計(jì)值基本一致。另外,管道一次應(yīng)力與二次應(yīng)力均未超過(guò)許用應(yīng)力的30 %。
表1 AHP-L041-S028可變彈簧校核結(jié)果與原設(shè)計(jì)參數(shù)
其次,通過(guò)與運(yùn)行人員的溝通,確認(rèn)機(jī)組在大修停機(jī)降功率過(guò)程中,運(yùn)行操作完全符合核電機(jī)組運(yùn)行操作規(guī)程。
綜上所述,從現(xiàn)有信息難以判斷AHP疏水管道B列AHP-L041-S028可變彈簧吊架破壞的原因。因此,按原設(shè)計(jì)對(duì)該彈簧進(jìn)行恢復(fù),并做加固處理。在機(jī)組第2次大修停機(jī)降功率過(guò)程中,通過(guò)應(yīng)變電測(cè)技術(shù)以及動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)AHP疏水管線B列所有立管可變彈簧吊架載荷變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄,以期找出彈簧破壞原因。
應(yīng)變電測(cè)法是用電阻應(yīng)變片測(cè)定構(gòu)件表面的線應(yīng)變,再根據(jù)應(yīng)變—應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。
這種方法是將電阻應(yīng)變片粘貼在被測(cè)構(gòu)件的表面,當(dāng)構(gòu)件發(fā)生變形時(shí),電阻應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化,然后通過(guò)電阻應(yīng)變計(jì)將此電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)的變化,再換算成應(yīng)變值;或者輸出與此應(yīng)變成正比的電壓(或電流)信號(hào),再由記錄儀進(jìn)行記錄,就可得到所測(cè)定的應(yīng)變或應(yīng)力值。
(1) 測(cè)量靈敏度和精度高。其最小應(yīng)變?yōu)?με(με—微應(yīng)變,1με=10-6ε)。在常溫靜態(tài)測(cè)量時(shí),誤差一般為1 %~3 %;動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí),誤差在3 %~5 %范圍內(nèi)。
(2) 測(cè)量范圍廣。
(3) 頻率響應(yīng)好,可以測(cè)量從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的應(yīng)變。
(4) 輕便靈活,在現(xiàn)場(chǎng)或野外等惡劣環(huán)境下均可進(jìn)行測(cè)試。
(5) 在高、低溫或高壓環(huán)境等特殊條件下也可進(jìn)行測(cè)量。
(6) 便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理,易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化及無(wú)線電遙測(cè)。
此次測(cè)試針對(duì)AHP疏水管道B列AHPL041-S028與AHP-L041-S027 2組立管可變彈簧吊架載荷變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄。組成2個(gè)全橋(惠斯通電橋)測(cè)試通道,采用全橋補(bǔ)償法進(jìn)行溫度補(bǔ)償,以消除溫度變化的影響。
此次測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)源、電阻應(yīng)變計(jì)、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀(東華測(cè)試DN5956信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng))、數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。
圖2 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成
由圣維南原理可知,電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)選擇在距離彈簧吊桿中部的名義應(yīng)變處,并采用全橋布置形式,以提高測(cè)試精度,如圖3所示。彈簧吊桿尺寸為M30。
圖3 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置方案
通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)在機(jī)組第2次大修停機(jī)降功率過(guò)程中,AHP-L041-S028與AHP-L041-S027 2組立管可變彈簧吊架載荷總體變化較為平穩(wěn)。
根據(jù)測(cè)得的應(yīng)變時(shí)間曲線可知,AHPL041-S028彈簧載荷曾出現(xiàn)連續(xù)波動(dòng)變化,持續(xù)時(shí)間約7 min,最大應(yīng)變幅值為33 με,約為4 900 N;而AHP-L041-S027彈簧載荷未出現(xiàn)較大波動(dòng)變化。
將測(cè)試結(jié)果與管道運(yùn)行工況進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn),彈簧載荷出現(xiàn)連續(xù)波動(dòng)階段剛好對(duì)應(yīng)應(yīng)急疏水閥218VL初始調(diào)節(jié)階段。此時(shí)正常疏水的逆止閥處于頻繁的開(kāi)關(guān)階段,由于動(dòng)作時(shí)間很短,故正常疏水管線的水量變化較劇烈,管道內(nèi)部引起程度較高的水錘,從而導(dǎo)致AHP-L041-S028彈簧載荷出現(xiàn)連續(xù)波動(dòng)變化。
AHP-L041-S028彈簧的設(shè)計(jì)工作載荷為16 458 N,從測(cè)試結(jié)果可以看出,在載荷波動(dòng)階段,最大載荷變化幅值約為4 900 N,彈簧實(shí)際載荷最大達(dá)到18 900 N。因此認(rèn)為,在這一階段,由于AHP-L041-S028彈簧的實(shí)際載荷超過(guò)了彈簧的最大允許值,導(dǎo)致彈簧失效破壞。
基于上述分析結(jié)果,可進(jìn)行如下處理:
(1) 對(duì)218VL疏水閥與逆止閥進(jìn)行解體潤(rùn)滑,以防止閥門(mén)卡澀;
(2) 在AHP-L041-S028彈簧與AHP-L041-S027彈簧之間增加粘滯阻尼器,在不影響管道自由膨脹的前提下增大管道系統(tǒng)阻尼,減小管道振動(dòng),降低疲勞應(yīng)力。
基于應(yīng)變電測(cè)技術(shù)以及動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)相結(jié)合的測(cè)試手段,對(duì)AHP疏水管道B列所有立管變力彈簧吊架載荷變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄,結(jié)合測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)運(yùn)行工況分析彈簧發(fā)生破壞的原因并給出處理措施,防止彈簧再次破壞。
基于應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的可變彈簧吊架受力狀態(tài)實(shí)時(shí)同步測(cè)試系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。
(1) 該測(cè)試系統(tǒng)為便攜式無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng),輕便靈活,在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)破壞彈簧吊架工作的原始工況。
(2) 該測(cè)試系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng),采樣頻率最高可達(dá)100 kHz,具備極強(qiáng)的抗干擾能力,可以準(zhǔn)確捕捉到由于機(jī)組功率變化或者水錘引起的彈簧載荷變化峰值。
(3) 該測(cè)試系統(tǒng)采用以電阻應(yīng)變計(jì)為基礎(chǔ)的電測(cè)技術(shù),測(cè)試精度高、抗疲勞特性好,并且全橋測(cè)試技術(shù)可以補(bǔ)償溫度引起的熱應(yīng)變。
(4) 該測(cè)試系統(tǒng)為多通道實(shí)時(shí)同步采集系統(tǒng),可以同步記錄各通道的載荷變化情況,并將數(shù)據(jù)累計(jì)以載荷—時(shí)間曲線的形式顯示。其中的曲線擬合功能可便于準(zhǔn)確捕捉載荷峰值出現(xiàn)時(shí)間以及觀測(cè)載荷變化情況。
(5) 該測(cè)試系統(tǒng)的超大容量硬盤(pán)可幫助系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期不間斷的測(cè)試。
測(cè)試結(jié)果清晰地反映出,在停機(jī)降功率過(guò)程中,AHP疏水管道B列所有立管可變彈簧吊架載荷變化的情況。為正確分析與判斷導(dǎo)致彈簧發(fā)生破壞的原因、制定正確的治理方案提供了可靠依據(jù)。
該測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)、同步、無(wú)損、可靠與準(zhǔn)確等特點(diǎn),增強(qiáng)了應(yīng)變測(cè)試技術(shù)在管道應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試中的實(shí)用性。
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