基于CAESARⅡ的主蒸汽管道應(yīng)力超標(biāo)分析與治理

萬 瑜 鄧廣發(fā) 李 燁

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司)

主蒸汽管道用于將鍋爐產(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽輸送至汽輪機(jī)發(fā)電，是火力發(fā)電站的核心設(shè)備。某火力發(fā)電站燃煤機(jī)組2號鍋爐主蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力9.81MPa，設(shè)計(jì)溫度540℃，設(shè)計(jì)采用規(guī)格為φ273 mm×28mm的10CrMo910材料制成(以下稱10CrMo910管)，在運(yùn)行3萬小時(shí)后的定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)管道規(guī)格、材料均與設(shè)計(jì)不符。為確保管道的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對主蒸汽管道進(jìn)行了材料復(fù)驗(yàn)和應(yīng)力分析，并據(jù)此采取有效措施降低了管道的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料復(fù)驗(yàn)

在管道每個(gè)直段、彎頭處選擇試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行光譜復(fù)核。現(xiàn)場光譜檢驗(yàn)出的材料成分見表1，其主要合金元素成分與GB5310- 2008中12Cr1MoVG牌號材料的成分相符。對現(xiàn)場管道進(jìn)行幾何尺寸測量，得到其規(guī)格為φ273 mm×20mm。材料復(fù)驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)場管道實(shí)際采用的材料、規(guī)格與設(shè)計(jì)不相符。

2 管系應(yīng)力分析

2.1現(xiàn)場設(shè)備檢查

表1 主蒸汽管道主要合金元素成分

2號鍋爐主蒸汽管道連接集汽集箱出口至母管并爐門，該管段共有9個(gè)彎頭和10只支吊架，其中包括彈簧吊架5只、恒力吊架4只、剛性支架1只(圖1)。對支吊架進(jìn)行現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)5、6、號恒力吊架欠載，全部檢查結(jié)果見表2。7

圖1 管系及支吊架簡圖

表2 支吊架檢查結(jié)果

2.2應(yīng)力計(jì)算理論基礎(chǔ)

在汽水管道應(yīng)力分析中，將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。一次應(yīng)力是由于內(nèi)壓、管道及附屬設(shè)備的自重以及外力載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。一次應(yīng)力沒有自限性，當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)擴(kuò)展達(dá)到極限狀態(tài)，使之變成幾何可變的機(jī)構(gòu)時(shí)，即使外力不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動(dòng)，直至破壞，可見一次應(yīng)力對管道安全性危害極大。

一次應(yīng)力計(jì)算公式為[1]：

式中Do——管道外徑；

Di——管道內(nèi)徑；

MA——持續(xù)載荷作用在管道橫截面上的合成力矩；

p——介質(zhì)壓力；

i——應(yīng)力增加系數(shù)；

W——管道截面抗彎矩。

二次應(yīng)力是由于熱脹冷縮、位移受約束以及端點(diǎn)位移等作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，不直接與外力平衡。二次應(yīng)力具有自限性，一般來說局部屈服或微量變形就可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足。因此，二次應(yīng)力的危害性相對較小，主要引起管道的疲勞破壞。

二次應(yīng)力計(jì)算公式為[1]：

式中Mc——熱脹引起的合成力矩。

2.3應(yīng)力計(jì)算

主蒸汽管系是由管道體系(包括管道、管件及閥門等)、支吊體系組成的空間彈性系統(tǒng)。系統(tǒng)載荷主要由支吊架承擔(dān)。

采用管道整體應(yīng)力分析軟件CAESAR II對管道-支吊空間彈性系統(tǒng)進(jìn)行靜載荷計(jì)算(表3)。分別計(jì)算了12Cr1MoVG管和10CrMo910管在支吊架載荷下的應(yīng)力分布情況，SUS、EXP兩個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果表明，兩種材料管道的二次應(yīng)力均控制在較低水平，但12Cr1MoVG管一次應(yīng)力超過標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力，10CrMo910管一次應(yīng)力合格。

表3 一、二次應(yīng)力計(jì)算表

從一次應(yīng)力在整個(gè)管系的分布來看，12Cr1MoVG管道在(6)號彎頭處的一次應(yīng)力達(dá)到75.45kPa，是材料在設(shè)計(jì)溫度條件下基本許用應(yīng)力的104.8%，是整個(gè)管系的最大應(yīng)力點(diǎn)；而10CrMo910管道的最大一次應(yīng)力出現(xiàn)在8號彈簧吊架吊點(diǎn)處，僅為基本許用應(yīng)力的61.5%。計(jì)算結(jié)果表明，管道支吊架載荷設(shè)計(jì)與10CrMo910管相匹配，但造成了實(shí)際采用的12Cr1MoVG管道的一次應(yīng)力超標(biāo)。

2.4原因分析

一次應(yīng)力是由外部載荷、管道自重(包括保溫及內(nèi)部介質(zhì)的重量)和內(nèi)壓作用產(chǎn)生的，在本案例中外部載荷及內(nèi)壓均無變化，因此應(yīng)確定管道自重是否有變化。在12Cr1MoVG和10CrMo910兩種管材的密度相差無幾的條件下，可以計(jì)算出單位長度12Cr1MoVG管與10CrMo910管的重量比：

式中Di1——10CrMo910管道內(nèi)徑，Di1=245mm；

Di2——12Cr1MoVG管道內(nèi)徑，Di2=253mm；

Do——管道外徑，Do=273mm。

計(jì)算顯示，實(shí)際使用12Cr1MoVG單位長度的重量僅占原設(shè)計(jì)10CrMo910管重量的72%，重量改變達(dá)到28%。如此大的管道自重變化，造成了實(shí)際使用的12Cr1MoVG管與按原10CrMo910管重量設(shè)計(jì)的支吊架載荷不匹配，最終導(dǎo)致了(6)號彎頭處的應(yīng)力超過材料基本許用應(yīng)力。

由于材料基本許用應(yīng)力的選取是由材料抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)以及高溫持久強(qiáng)度等多個(gè)力學(xué)指標(biāo)配以安全系數(shù)選取，所以雖然一次應(yīng)力超過標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力，但未造成管道的實(shí)際爆破。由于主蒸汽管道在高溫、高壓及交變載荷作用下運(yùn)行，因此管材性能是逐步下降的，同時(shí)考慮到其他不可控因素對管道安全運(yùn)行的影響，超過材料許用應(yīng)力的在用管道具有極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.5解決方案

根據(jù)DL/T 5366- 2006和DL/T 616- 2006的要求以及降低安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際需要，應(yīng)對管系重新進(jìn)行載荷計(jì)算，對不匹配的支吊架進(jìn)行更換[2]。

針對管道-支吊架空間彈性體系，以管道及支吊架的實(shí)際狀態(tài)為基礎(chǔ)，根據(jù)管道實(shí)際布置、管道及保溫實(shí)際重量、各支吊架實(shí)際載荷進(jìn)行計(jì)算，在充分考慮原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，著重考察管道及支吊架的強(qiáng)度滿足要求[3]。

較低的二次應(yīng)力水平，說明管道具有優(yōu)良的柔性設(shè)計(jì)，因此管系的配管走向無需改動(dòng)。為降低管系的一次應(yīng)力，可以從外部載荷和管道自重入手(內(nèi)壓由工藝設(shè)計(jì)確定，不可更變)?？紤]到將實(shí)際使用的12Cr1MoVG管材全部更換所需的成本、供貨周期和安裝工程量。決定從支吊架載荷入手，根據(jù)現(xiàn)場支吊架受力狀態(tài)和CAESARⅡ多次靜載荷試算的結(jié)果，調(diào)整了4、5、7號吊架的載荷，并據(jù)此進(jìn)行支吊架的重新選型和更換，在保持了低水平二次應(yīng)力的前提下，實(shí)現(xiàn)了管道載荷的合理分配，將一次應(yīng)力降低到安全范圍內(nèi)(表4)。

表4 支吊架更換前后應(yīng)力結(jié)果

3 結(jié)論

3.1實(shí)際使用的12Cr1MoVG管的重量較原設(shè)計(jì)大幅降低，導(dǎo)致按原設(shè)計(jì)要求選用的支吊架載荷與實(shí)際使用管道不相匹配，是主蒸汽管道一次應(yīng)力超過基本許用應(yīng)力的根本原因。

3.2管道一次應(yīng)力超標(biāo)，通過有限元分析的方法進(jìn)行靜載荷計(jì)算，并據(jù)此調(diào)整、更換支吊架實(shí)現(xiàn)載荷的合理分配，是解決該類問題的有效途徑。

[1] DL/T 5366- 2006，火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)定[S].北京：中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會，2006.

[2] DL/T 616- 2006，火力發(fā)電廠汽水管道與支吊架維修調(diào)整導(dǎo)則[S]. 北京：中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會，2006.

[3] 張超群.火力發(fā)電廠汽水管道支吊架檢驗(yàn)、改造與調(diào)整[J]. 東北電力技術(shù),2005,26(4)：1～4.