某電廠高溫再熱蒸汽管道立管管夾變形原因及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 彪,秦旭明,曹先慧,陳亮平

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司,長沙 410000；2.湖南省湘電試驗研究院有限公司,長沙 410000)

支吊架是電廠汽水管道系統(tǒng)中的重要組成部分，具有安全承受管道載荷、合理約束管道位移、限制管道端口對所連接設(shè)備的推力和扭矩、增加管系穩(wěn)定性及防止管道振動等功能[1]。由于支吊架承載情況復(fù)雜，因此很容易發(fā)生失效[2-4]，這會使管道發(fā)生局部應(yīng)力集中，進而導(dǎo)致管道使用壽命變短，嚴重影響機組的安全運行。

某電廠330 MW亞臨界燃煤發(fā)電機組的高溫再熱蒸汽管道設(shè)計溫度為545 ℃，設(shè)計壓力為4.699 MPa，材料牌號為A335-P91。機組在冷、熱態(tài)檢查過程中，發(fā)現(xiàn)高溫再熱蒸汽管道立管段2號恒力吊架在未出現(xiàn)過載的情況下，管夾尾部明顯上翹，變形部位主要集中在直段與彎曲段的轉(zhuǎn)角處，如圖1所示。該管夾材料為12Cr1MoVR鋼，恒力吊架載荷為97 220 N。筆者通過幾何尺寸測量、化學成分分析、拉伸試驗及熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元分析等方法，分析了管夾變形的原因。

圖1 變形管夾的宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 幾何尺寸測量

變形立管管夾及相應(yīng)管段的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。管道外徑為747.5 mm，壁厚為34 mm，管夾的相關(guān)尺寸見表1。

圖2 管夾及相應(yīng)管段的結(jié)構(gòu)示意

表1 管夾的幾何尺寸測量結(jié)果 mm

1.2 化學成分分析

依據(jù)GB/T 14203-2016《火花放電原子發(fā)射光譜分析法通則》，對變形管夾進行化學成分分析，試樣1取自管夾彎曲段，試樣2取自管夾直段與彎曲段的轉(zhuǎn)角處，試樣3取自管夾保溫層外的直段處，結(jié)果見表2，管夾的化學成分符合GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準對12Cr1MoVR鋼的技術(shù)要求。

表2 管夾的化學成分

1.3 拉伸試驗

依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，采用電子拉伸萬能試驗機對管夾試樣1，2，3進行拉伸試驗。試驗結(jié)果見表3，其拉伸性能均滿足GB/T 713-2014標準對12Cr1MoVR鋼的技術(shù)要求。

表3 管夾的拉伸試驗結(jié)果

依據(jù)GB/T 228.2-2015《金屬材料拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》，采用SANS萬能試驗機對管夾試樣1，2，3進行高溫拉伸試驗，試驗溫度為400 ℃，試驗結(jié)果見表4,其屈服強度均滿足GB/T 713-2014標準對12Cr1MoVR鋼的技術(shù)要求。

表4 管夾的高溫拉伸試驗結(jié)果

2 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

管夾彎曲段(試樣1)長期處于高溫環(huán)境中，保溫層外的管夾直段(試樣3)所處環(huán)境的最高溫度不超過80 ℃，兩處試樣的化學成分和拉伸性能均基本相同，不存在長期高溫作用導(dǎo)致材料強度降低的情況?？紤]到管夾彎曲段長期處于高溫環(huán)境中，對該管夾進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，研究管夾在高溫環(huán)境中的應(yīng)力分布情況。

2.1 管夾溫度和應(yīng)力分布情況

根據(jù)管夾的實際尺寸和熱物理參數(shù)，建立管夾的有限元模型，管道與管夾之間、管夾與螺栓之間通過接觸屬性設(shè)置連接，其相關(guān)熱物理參數(shù)見表5。該管段保溫層厚度為260 mm，為簡化計算，保溫層視為絕熱，管夾與空氣設(shè)置為對流換熱，對管道內(nèi)壁施加545 ℃的溫度載荷。在管道運行穩(wěn)定后，管夾基本處于靜止狀態(tài)，主要承受管道的重力，在結(jié)構(gòu)分析中，限制管道拉桿的豎向位移，只考慮重力對管夾的影響。

表5 12Cr1MoVR鋼的熱物理參數(shù)

由圖3可見，模擬得到管夾直段與彎段轉(zhuǎn)角處溫度超過400 ℃，且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大等效應(yīng)力為181.4 MPa，超過了該溫度下材料的屈服強度，該處會產(chǎn)生塑性變形，這與現(xiàn)場管夾情況基本一致。

圖3 模擬得到管夾的溫度和應(yīng)力分布

2.2 管夾結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

變形立管管夾服役時間超過10 a，其設(shè)計時所依據(jù)的《汽水管道支吊架設(shè)計手冊》(西北院1983版)，未對非標件管夾的尺寸做具體要求。現(xiàn)行《發(fā)電廠汽水管道支吊架設(shè)計手冊》(D-ZD2010)中提出，當管道外徑超過325 mm時，立管管夾需設(shè)置肋板，而該變形管夾無肋板。由于各吊架載荷和吊點間間距均不同，現(xiàn)行設(shè)計手冊和GB/T 17116.2-2018 《管道支吊架 第2部分：管道連接部件》都未對管夾厚度(板材厚度)做明確要求?；谝陨戏治?，考慮在不改變管夾其他設(shè)計參數(shù)的情況下，通過增加管夾厚度、設(shè)置肋板來提高管夾的承載強度，降低管夾應(yīng)力。

將管夾厚度由原來的24 mm增至30 mm，在管夾直段與彎曲段的轉(zhuǎn)角處設(shè)置肋板，對優(yōu)化后的管夾進行有限元分析。由圖4可見，優(yōu)化后管夾的最大等效應(yīng)力降低至171.0 MPa，在吊點位置處，該處溫度低于100 ℃，其應(yīng)力低于相應(yīng)溫度下材料的屈服強度。管夾直段與彎曲段轉(zhuǎn)角處的最大等效應(yīng)力未超過120 MPa，遠低于優(yōu)化前管夾的最大等效應(yīng)力(181.4MPa)，也小于相應(yīng)溫度下材料的屈服強度。

圖4 模擬得到優(yōu)化后管夾的溫度與應(yīng)力分布

3 結(jié)論及建議

(1)在高溫環(huán)境中，管夾在直段與彎曲段的轉(zhuǎn)角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其等效應(yīng)力超過相應(yīng)溫度下材料的屈服強度，導(dǎo)致管夾變形。

(2)通過增加管夾厚度和在管夾直段與彎曲段轉(zhuǎn)角處設(shè)置肋板，可有效防止管夾變形，提高管夾的承載能力，保障管道的安全運行。

(3)在管夾設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)吊架的承載情況和管道服役環(huán)境，對管夾進行強度校核。