萬(wàn) 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(hào)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(chēng)10CrMo910管)，在運(yùn)行3萬(wàn)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(duì)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?，F(xiàn)場(chǎng)光譜檢驗(yàn)出的材料成分見(jiàn)表1，其主要合金元素成分與GB5310- 2008中12Cr1MoVG牌號(hào)材料的成分相符。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道進(jìn)行幾何尺寸測(cè)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(chǎng)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(chǎng)設(shè)備檢查

表1 主蒸汽管道主要合金元素成分

2號(hào)鍋爐主蒸汽管道連接集汽集箱出口至母管并爐門(mén)，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(duì)支吊架進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)5、6、號(hào)恒力吊架欠載，全部檢查結(jié)果見(jiàn)表2。7

圖1 管系及支吊架簡(jiǎn)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(méi)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(jiàn)一次應(yīng)力對(duì)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(lái)說(shuō)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(duì)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(mén)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(duì)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(guò)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(lái)看，12Cr1MoVG管道在(6)號(hào)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(hào)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(wú)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(wú)幾的條件下，可以計(jì)算出單位長(zhǎng)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(zhǎng)度的重量?jī)H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(hào)彎頭處的應(yīng)力超過(guò)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(guò)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(duì)管道安全運(yùn)行的影響，超過(guò)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(duì)管系重新進(jìn)行載荷計(jì)算，對(duì)不匹配的支吊架進(jìn)行更換[2]。

針對(duì)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(shuō)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(wú)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(chǎng)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(hào)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(guò)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(guò)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(lèi)問(wèn)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(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，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(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，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.