電站彎管不圓度量具改進及測量分析

荊象陽，馬永泉，張鴻武，劉蕊

（1.山東省特高壓輸變電技術(shù)與裝備重點實驗室（山東電力研究院），濟南250003；2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，濟南250003）

·試驗研究·

電站彎管不圓度量具改進及測量分析

荊象陽1，馬永泉2，張鴻武2，劉蕊2

（1.山東省特高壓輸變電技術(shù)與裝備重點實驗室（山東電力研究院），濟南250003；2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，濟南250003）

探討彎管不圓度的相關(guān)概念，介紹電站彎管不圓度的測量意義及測量方法，詳述用于電站彎管不圓度測量的卡鉗配測量尺測量法、帶表外卡規(guī)測量法、數(shù)顯式外卡規(guī)測量法，對各種測量方法的優(yōu)缺點進行分析比較。

彎管；不圓度；卡規(guī)；測量

0 引言

彎管不圓度測量是電站鍋爐管道金屬監(jiān)督工作中的常規(guī)項目。DL／T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》［1］和DL 647—2004《電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程》［2］中均要求對彎管不圓度（特別是安裝前不圓度較大的彎管）進行定期測量，將其控制在標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程允許的范圍內(nèi)。但這兩個標(biāo)準(zhǔn)中僅僅給出了不圓度是否合格的判定標(biāo)準(zhǔn)，對于彎管不圓度測量的目的及意義、測量工具和測量方法等關(guān)鍵問題卻并未進行深入敘述，同時也由于相關(guān)文獻較少，可供測量人員參考的資料不多，不同的測量人員在實際工作中產(chǎn)生了不同的理解，測量工具和方法良莠不齊，在一定程度上阻礙了電站彎管不圓度測量工作的順利開展。針對這一狀況，就電站彎管不圓度的概念、測量意義、測量方法以及相關(guān)產(chǎn)品的試制和應(yīng)用等問題進行探討。

1 彎管不圓度的相關(guān)概念

1.1 彎管與彎頭的區(qū)分

DL／T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》［1］中明確給出了彎頭和彎管的定義：彎管是指“軸線發(fā)生彎曲的管子”，彎頭是指“彎曲半徑小于或等于2倍名義直徑且直段小于直徑的軸線發(fā)生彎曲的管子”。顯然，彎頭的外延包含于彎管中，是彎管的特例。狹義上，彎管是指除彎頭以外所有軸線發(fā)生彎曲的管子；廣義上，彎管泛指所有軸線發(fā)生彎曲的管子。為方便討論，不區(qū)分彎管與彎頭，以廣義上的彎管來指代。

1.2 彎管不圓度的定義及表達公式

加工彎制后的管子，由于圓周壁厚的不均勻變化而產(chǎn)生了不圓度。彎管不圓度是指管子彎曲部分同一圓截面上最大直徑與最小直徑之差與名義直徑之比，可表達為

式中：D為名義直徑（也叫做公稱直徑）。

2 電站彎管不圓度的測量目的

由于初始不圓度的存在，在內(nèi)壓作用下，要產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，造成管道應(yīng)力的不均勻，對彎管的理論壽命有較大影響［4-5］。通過有限元計算表明，在內(nèi)壓、熱脹、外載彎矩、溫差等因素的作用下，彎管的周向應(yīng)力隨不圓度的增加而上升［6］，當(dāng)周向應(yīng)力達到或超過某一限值時，管道在截面圓周方向上的蠕變變形所導(dǎo)致的蠕變失效過程將加速［7］。因此，有必要將彎管不圓度的測量作為電站管道制造、安裝時必須檢查的項目，將不圓度作為評判檢驗管道彎管質(zhì)量的一個重要參考指標(biāo)。彎管應(yīng)當(dāng)在工廠化配管前進行不圓度的檢驗，確保其不大于某一規(guī)定限值（此規(guī)定限值與公稱壓力有關(guān)），這對于電站管道的安全穩(wěn)定運行來說是十分必要的。

對于運行中的彎管，彎管不圓度的變化受管道內(nèi)壓和外載彎矩的共同作用，既有可能增加，也有可能減?。?-9］。對于僅承受內(nèi)壓作用的彎管，具有一定不圓度的彎管在運行中會發(fā)生橢圓“復(fù)圓”，不圓度減小，表現(xiàn)為在彎管橢圓橫截面短軸方向上產(chǎn)生正蠕變，長軸方向上產(chǎn)生負蠕變，其原因在于短軸方向上受到由內(nèi)壓產(chǎn)生的附加彎曲力矩；當(dāng)管子承受持續(xù)外載彎矩時，如果外載彎矩作用力為開彎力，則促使彎管不圓度減小，如果外載彎矩作用力為閉彎力，則促使彎管不圓度增大。

彎管不圓度指標(biāo)反映了應(yīng)力的集中程度，彎管應(yīng)力集中程度隨著彎管不圓度的增加而增大。控制彎管不圓度的目的，就在于以不圓度標(biāo)準(zhǔn)控制彎管應(yīng)力集中程度。對于已經(jīng)運行的彎管，應(yīng)當(dāng)通過定期檢驗，跟蹤掌握不圓度的變化趨勢。

3 彎管不圓度的測量方法

按照測量原理及測量工具的不同，彎管不圓度的測量方法主要分為3種：卡鉗配測量尺測量法、帶表外卡規(guī)測量法以及數(shù)顯式外卡規(guī)測量法。其中，卡鉗配測量尺測量法是間接讀數(shù)式測量法，而帶表外卡規(guī)測量法和數(shù)顯式外卡規(guī)測量法均屬于直接讀數(shù)式測量法。

3.1 卡鉗配測量尺測量法

目前在國內(nèi)各個火電廠仍廣泛采用的是傳統(tǒng)卡鉗（圖1）配測量尺（一般為鋼卷尺）測量法：測量最大直徑時，一個鉗腳靠在彎管中性面的一側(cè)，另一個鉗腳沿管道表面圓周方向滑動，當(dāng)兩鉗腳間距離達到最大時停止滑動，保持卡鉗開口大小不變，將其從管道上取下，用測量尺量出兩鉗腳之間的距離，即為所測得的長軸方向上的直徑。同理在兩鉗腳間距離達到最小時可測得最小直徑。

圖1 卡鉗

卡鉗配測量尺測量法操作較為簡便，但是測量精度和測量結(jié)果重復(fù)性均較差，主要是由于其存在兩方面的缺陷：1）由于卡鉗本身不帶刻度，鉗腳沿管道表面圓周方向滑動時不能準(zhǔn)確定出最大或最小距離點，只能作大致估計，受人為因素影響較大，嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性；2）在管道彎管上進行卡位后，應(yīng)在保持兩鉗腳間距離不變的前提下小心取下卡鉗，然后用測量尺測量。在實際操作中，在取下卡鉗的過程中常常由于緊固螺絲不牢固或是人為的觸碰，使兩鉗腳間距離發(fā)生改變，直接影響數(shù)值的準(zhǔn)確性。

為了把道理說得更加通俗易懂、淺顯明了，諺語往往采取各種修辭手法，增強形象的生動性和語言的藝術(shù)性。高山漢族人民善于根據(jù)自身的生活環(huán)境、生活習(xí)俗、方言特點等，融多種修辭手法于諺語之中，達到很好的表達效果。

3.2 機械式帶表外卡規(guī)測量法

3.2.1 測量原理

機械式帶表外卡規(guī)測量法是一種較為先進的測量方法，它是利用杠桿傳動機構(gòu)，將活動量爪測量面的移動轉(zhuǎn)變?yōu)榘俜直砹織U的移動，并由百分表進行讀數(shù)的一種剪式測量器［10］，如圖2所示。

圖2 帶表外卡規(guī)

帶表外卡規(guī)的規(guī)體用不銹鋼制造，測頭材料為硬質(zhì)合金球。刻度盤在圓周上有100個等分格，各格的讀數(shù)值為0.01 mm，小指針每格讀數(shù)為1 mm，測量時指針的變動量即為尺寸變動量。當(dāng)測量桿向上或者向下移動1 mm時，通過齒輪傳動系統(tǒng)帶動大指針轉(zhuǎn)1圈，小指針轉(zhuǎn)1格。

3.2.2 測量及讀數(shù)

測量時，將帶機械式表外卡規(guī)兩測頭卡在彎管被測部位，待示數(shù)穩(wěn)定后，先讀出小指針轉(zhuǎn)過的刻度值（整數(shù)mm），再讀出大指針轉(zhuǎn)過的刻度值并乘以0.01 mm（小數(shù)部分），然后將兩者相加，即得到彎管某一方向上的直徑。通過測頭在彎管表面的不斷移動分別尋找到與最大直徑和最小直徑所對應(yīng)的最大讀數(shù)測點和最小讀數(shù)測點，可分別測出最大直徑和最小直徑。

3.2.3 測量誤差

隨著測量范圍和測深的加大，誤差也會隨之加大。機械式帶表外卡規(guī)的指示表一般是百分表，百分表是帶表外卡規(guī)的測量核心。為確保帶表外卡規(guī)測量的準(zhǔn)確性，可以對百分表單獨進行檢修和校準(zhǔn)，以控制指示表的示值誤差及示值變動性。安裝指示表時，應(yīng)當(dāng)對應(yīng)好帶表外卡規(guī)的測量下限，并通過調(diào)整導(dǎo)塊的位置控制帶表卡規(guī)的示值誤差。帶表外卡規(guī)的測量誤差主要來源于測頭磨損、傳動部分卡滯與錯位、指示表示值誤差［11］。

3.3 數(shù)顯式帶表外卡規(guī)測量法

3.3.1 數(shù)顯式帶表外卡規(guī)

數(shù)顯式帶表外卡規(guī)測量法所采用的測量原理與帶表外卡規(guī)測量法十分近似，不同的是將原本安裝百分表的部位替換成了具有信號處理功能的數(shù)顯裝置，方便了操作人員的讀數(shù)。圖3為試制的SXWK型數(shù)顯式帶表外卡規(guī)的實物照片，其突出優(yōu)點為：可以在任意位置置零，便于微差測量；制式可以任意轉(zhuǎn)換，適應(yīng)不同的單位制；數(shù)據(jù)保持時間較長；快速跟尋最大值（只顯示一組測量數(shù)據(jù)中的最大值）和快速跟尋最小值（只顯示一組測量數(shù)據(jù)中的最小值）。此方法滿足了彎管不圓度的測量時快速尋找極值的要求，縮短了測點沿管道表面圓周方向滑動的時間，提高了測量效率。

圖3 SXWK型數(shù)顯式帶表外卡規(guī)

3.3.2 數(shù)顯式帶表外卡規(guī)的改進

相較于機械式帶表外卡規(guī)，數(shù)顯式帶表外卡規(guī)的讀數(shù)更加方便和直接，但由于只有電子讀數(shù)缺少機械讀數(shù)的孤立性，使用過程中一旦發(fā)生傳動機構(gòu)的卡滯或傳感器的工作故障就會出現(xiàn)顯示讀數(shù)混亂的現(xiàn)象，錯誤讀數(shù)如果被測量人員接受就會導(dǎo)致嚴(yán)重誤判，因此有必要對其進行進一步改進。設(shè)計了帶機械讀數(shù)裝置的數(shù)顯式卡規(guī)，很好地解決了這個問題。

帶機械讀數(shù)裝置的數(shù)顯式外卡規(guī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，各主要組成部分在圖中用數(shù)字標(biāo)出。其主體部分包括兩個端部通過鉸接軸相鉸接的規(guī)腿1，兩個規(guī)腿可以繞鉸接軸相對轉(zhuǎn)動，鉸接軸上連接有規(guī)把5，方便操作人員握持卡規(guī)。按照旋轉(zhuǎn)角度傳感器4的安裝要求，將旋轉(zhuǎn)角度傳感器安裝在鉸接軸上，并且鉸接軸穿過旋轉(zhuǎn)角度傳感器的中心，用于檢測兩個規(guī)腿相對轉(zhuǎn)動角度信號。其中一個規(guī)腿上設(shè)置有數(shù)顯盒3，內(nèi)設(shè)置有集成電路板，集成電路板上集成有微處理器和顯示屏。微處理器用于將旋轉(zhuǎn)角度傳感器發(fā)送的角度信號進行處理計算得出兩個規(guī)腿端部間距數(shù)值，該間距數(shù)值即為被測彎管的直徑，在顯示屏將該數(shù)值顯示出來。與普通的數(shù)顯式帶表卡規(guī)不同，改進后的數(shù)顯式外卡規(guī)在設(shè)置了電子讀數(shù)裝置的同時設(shè)置了機械讀數(shù)裝置，使電子讀數(shù)和機械讀數(shù)可以兩相比較，完全避免了可能造成的誤判。其具體設(shè)計為：其中一個規(guī)腿上固定有弧形的角度盤2，角度盤所在圓的圓心與鉸接軸重合，中部開有弧形槽7，另一個規(guī)腿上螺紋連接有穿過弧形槽的緊固螺栓8，緊固螺栓端部設(shè)置有直徑大于弧形槽寬度的螺帽。角度盤上邊緣表面設(shè)置有角度刻度，帶緊固螺栓的規(guī)腿上設(shè)置有指向角度盤上角度刻度的指示箭頭6。

在微處理器中設(shè)定計算程序，計算原理如圖5所示，計算式式中：d為兩個規(guī)腿端部間距；b為旋轉(zhuǎn)角度傳感器測得的角度；c為規(guī)腿中心線與規(guī)腿端部之間的夾角；a為兩個規(guī)腿端部之間的夾角，a=b-2c；L為鉸接軸距規(guī)腿端部的直線距離，也是卡規(guī)固有的長度。

圖4 改進后的數(shù)顯式外卡規(guī)

圖5 改進后的數(shù)顯式卡規(guī)計算原理

測量時，轉(zhuǎn)動卡規(guī)的兩個規(guī)腿，將規(guī)腿的前端卡在被測量的彎管中性面一側(cè)，并沿彎管移動，尋找最大或最小距離處，此時旋轉(zhuǎn)角度傳感器實時檢測兩個規(guī)腿相對轉(zhuǎn)動角度信號，并在數(shù)顯盒的顯示屏上顯示出兩個規(guī)腿端部間距數(shù)值。同時松開的緊固螺栓也沿弧形槽滑動。當(dāng)移動到最大或最小距離時，不要取下卡規(guī)，先將緊固螺栓擰緊，防止兩個規(guī)腿被碰觸后移動，讀取指示箭頭指向的刻度，依據(jù)前述公式將其換算為直徑。應(yīng)當(dāng)對采用電子和機械兩種方式進行測量所得到的兩個直徑值進行比較，如果兩者相差不大，則說明電子裝置正常工作。如果兩者相差較大，則提示測量者電子裝置不正常，需排除故障或更換測量工具重新測量。

3.4 直讀式外卡規(guī)的特點

與傳統(tǒng)的卡鉗配測量尺的測量方法相比，直讀式外卡規(guī)測量法的優(yōu)點是：在管道彎管上進行卡位后，不再取下卡規(guī)后讀數(shù)，而是利用彈簧或緊固螺母在最大或最小距離點將卡規(guī)的規(guī)腿緊固住后直接讀出結(jié)果，避免因兩測點間距離發(fā)生改變影響數(shù)值的準(zhǔn)確性。

雖然采用直讀式外卡規(guī)測量法具有讀數(shù)準(zhǔn)確的優(yōu)點，但是對于不同直徑的彎管需要采用不同測量范圍的卡規(guī)，由于電站彎管的直徑規(guī)格較為分散，往往需要配備十幾件甚至幾十件相應(yīng)規(guī)格的卡規(guī)，存放和攜帶很不方便。因此，對于規(guī)格較大的卡規(guī)，應(yīng)當(dāng)在保證其測量精度和一定規(guī)體強度的前提下，盡可能地減少用料，以減輕重量，從而為檢測人員的攜帶提供便利。

4 產(chǎn)品應(yīng)用效果

針對電站彎管的特點，試制了專門用于測量電站彎管不圓度的TWK系列特殊規(guī)格的帶表外卡規(guī)，其規(guī)格參數(shù)如表1所示。TWK是“特殊外卡規(guī)”的漢語拼音聲母，其后的數(shù)字代表所能測量的管徑范圍，A、B、L分別代表測頭長度、測頭直徑、測深（參照圖2）。該系列帶表外卡規(guī)體型輕巧、操作方便，現(xiàn)場應(yīng)用效果符合預(yù)期。

表1 TWK系列帶表外卡規(guī)規(guī)格參數(shù)表

5 結(jié)語

電站彎管不圓度的準(zhǔn)確測量對于電站鍋爐的安全經(jīng)濟運行十分重要，測量人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身的測量要求和彎管直徑的大小，選擇相匹配的測量工具和測量方法。無論是對于傳統(tǒng)的卡鉗配測量尺的間接式測量方法，還是較為先進的直讀式外卡規(guī)測量法，都應(yīng)當(dāng)盡可能地減輕操作者的負擔(dān)，提高工作效率。

［1］DL／T 438—2009火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程［S］.

［2］DL 647—2004電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程［S］.

［3］沈鴻聲，林忠元，段旭珍.主蒸汽管道運行中直管和彎管金屬變化特性研究［J］.中國電力，2004，37（11）：64-67.

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Measuring Out-of-roundness of Pipe Bends for Power Station

JING Xiangyang1，MA Yongquan2，ZHANG Hongwu2，LIU Rui2
（1.Shandong Provincial Key Laboratory of UHV Transmission Technology and Equipment (Shandong Electric Power Research Institute)，Jinan 250003，China; 2.Shandong Electric Power Industry Boiler&Pressure Vessel Inspection Center Co.,Ltd.,Jinan 250003，China）

In this paper，related definitions on out-of-roundness of pipe bends are discussed，significance of measuring out-ofroundness of pipe bends for power station is pointed out.Also，three methods of measuring out-of-roundness of pipe bends for power station are investigated separately，namely，calipers and rulers，dial snap ganges and digital display snap ganges. Advantages and disadvantages of different methods are analyzed.Operators are advised to select proper method accordingly.

pipe bends；out-of-roundness；gauge；measure

TK228

A

1007－9904（2015）08－0001－04

2015-06-05

荊象陽（1981），男，博士，高級工程師，從事火電廠機組金屬監(jiān)督檢驗及事故分析工作。

國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院2015年革新項目，項目編號：KY2015-44。