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。

1 AHP疏水系統(tǒng)彈簧吊架破壞分析

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

2 彈簧吊架破壞原因預(yù)判

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?？芍瑥椈尚：酥蹬c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。

3 實(shí)時(shí)同步測(cè)試方案

3.1 應(yīng)變電測(cè)法的基本原理

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。

3.2 應(yīng)變電測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)

(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)。

3.3 測(cè)試技術(shù)方案

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

4 測(cè)試結(jié)果與分析

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。

5 實(shí)時(shí)同步測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

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)的超大容量硬盤可幫助系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期不間斷的測(cè)試。

6 結(jié)束語(yǔ)

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。

1 楊 杰．火力發(fā)電廠變形蒸汽管道的分析調(diào)整和監(jiān)督研究[J]．中國(guó)電力，2002(1)．

2 郭延軍．支吊架失效與電廠蒸汽管道安全分析[J]．電力設(shè)備，2007(4).

3 沈觀林．應(yīng)變電測(cè)與傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用[J]．中國(guó)測(cè)試，2011(2)．