王海帥，劉　明，何桂寬，楊　林，高揚(yáng)

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

支吊架20鋼管夾斷裂原因分析

王海帥，劉明，何桂寬，楊林，高揚(yáng)

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

針對某電廠供熱抽汽管道管夾斷裂事故，采用有限元分析軟件ABAQUS，對斷裂管夾實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，材料許用應(yīng)力超標(biāo)是導(dǎo)致管夾斷裂的主要原因。通過對比計(jì)算分析，選擇規(guī)格合適的增強(qiáng)型管夾，確保了管道的安全運(yùn)行。

20鋼；有限元分析；斷裂

0　引言

支吊架作為管道系統(tǒng)的重要組成部分，在管系中起著承受載荷、限制位移及控制振動(dòng)等作用。支吊架失效會(huì)導(dǎo)致管道應(yīng)力水平提高、使用壽命變短，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行［1］。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)計(jì)算及制造誤差、組件選型不當(dāng)、及投產(chǎn)后檢修維護(hù)不良等因素均會(huì)造成支吊架失效。本文以某電廠供熱抽汽管道彈簧吊架失效為例，采用ABAQUS分析了20鋼管夾發(fā)生斷裂的原因，討論了支吊架組件選型應(yīng)注意的問題，及選型不當(dāng)對管系安全運(yùn)行的影響。

1　工程案例

2014年10月，某電廠2×600MW超臨界機(jī)組運(yùn)行過程中，供熱抽汽管道#401彈簧吊架發(fā)生管夾斷裂事故，管夾幾何形狀及斷裂部位見圖1所示。其中，管夾材質(zhì)為20鋼，供熱抽汽管道（規(guī)格Φ920×13）設(shè)計(jì)溫度380℃，設(shè)計(jì)壓力1.0MPa。#410彈簧吊架主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

2　原因分析及解決方案

2.1管夾應(yīng)力分布

采用有限元分析軟件ABAQUS，對斷裂管夾的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性，建立1/2結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖2所示。邊界條件設(shè)置如下：管夾與管道之間設(shè)置為剛性接觸，對稱面上按照結(jié)構(gòu)力學(xué)中的對稱邊界設(shè)置法向約束，管道兩端面施加固定約束。結(jié)合管夾的實(shí)際工作狀態(tài)，在最上面一顆管夾螺栓上施加豎直向上的載荷35684N，即1/2管夾工作載荷。

圖1　管夾幾何形狀及斷裂部位

表1　#410彈簧吊架主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2　D2型管夾有限元分析模型

圖3　D2型管夾mises應(yīng)力云圖

假定管道運(yùn)行狀態(tài)下，管夾溫度與管道設(shè)計(jì)溫度（380℃）相同，仿真計(jì)算時(shí)取該溫度條件下工作狀態(tài)為分析狀態(tài)。計(jì)算過程中所需20鋼相關(guān)參數(shù)見表2。

表2　20鋼相關(guān)參數(shù)

計(jì)算結(jié)果，如圖3所示，應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在管夾折彎處，且該區(qū)域存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。此外還發(fā)現(xiàn)，最大mises應(yīng)力為136MPa，超過了材料許用應(yīng)力92MPa，僅略小于380℃條件下材料的屈服強(qiáng)度139MPa。由此可認(rèn)為，超載是導(dǎo)致管夾斷裂的主要原因。

2.2管夾選型及解決方案

上述分析可知，D2型管夾強(qiáng)度不足，不能滿足管道系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求。參考西北電力設(shè)計(jì)院《火力發(fā)電廠汽水管道支吊架設(shè)計(jì)手冊》，建議將管夾型號更換為D2A型。其中，D2和D2A型管夾主要參數(shù)對比情況見表3。

表3　D2和D2A型管夾主要參數(shù)對比情況［3］

圖4　D2A型管夾有限元分析模型

圖5　D2A型管夾mises應(yīng)力云圖

更換為D2A型管夾后，重新進(jìn)行仿真模擬（見圖4、5）。計(jì)算結(jié)果表明，最大mises應(yīng)力為70MPa，小于材料許用應(yīng)力（92MPa），能夠滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行的需要。

2.3討論

工程材料在制造、加工及使用過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生各種缺陷，如氣孔、渣、缺口等，在外部載荷作用下，這些裂紋和微缺陷會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界尺寸時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生斷裂［4］。這類缺陷大大降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)完全失效。

而在高溫環(huán)境下工作的設(shè)備或結(jié)構(gòu)，根據(jù)其工作壽命的長短，可劃分為長期負(fù)載、中長期負(fù)載及短期負(fù)載設(shè)備等。當(dāng)構(gòu)件中存在裂紋時(shí)，不同的負(fù)載情況下，需采用不同的方法來評定其安全性［5］。有學(xué)者［6］認(rèn)為，對于長期負(fù)載下的構(gòu)件，裂紋的蠕變是安全性評定主要影響因素。張淑佳等人［5］研究了20g鋼在高溫下的斷裂行為發(fā)現(xiàn)，在400℃左右裂紋的擴(kuò)展速率較快，應(yīng)盡量避免超載。這一發(fā)現(xiàn)對于解釋此次20鋼管夾斷裂原因也有一定的借鑒意義。

3　結(jié)語

（1）運(yùn)行狀態(tài)下，應(yīng)力最大點(diǎn)位于管夾折彎處，超過了材料許用應(yīng)力，且出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，許用應(yīng)力超標(biāo)是導(dǎo)致管夾斷裂的主要原因；

（2）支吊架組件選型不當(dāng)會(huì)造成支吊架失效，給機(jī)組運(yùn)行留下安全隱患，日常檢查中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督。

［1］郭延軍.火力發(fā)電廠在役管道支吊架失效分析［J］.熱力發(fā)電，2008，37（2）：84～86.

［2］DL/T 5054-1996，火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.北京：中國電力出版社，1996.

［3］火力發(fā)電廠汽水管道支吊架設(shè)計(jì)手冊［S］.西安：水力電力部西北電力設(shè)計(jì)院，1983.

［4］何慶芝，酈正能.工程斷裂力學(xué)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

［5］張淑佳，盧炎麟，洪起超，等.20g鋼在高溫下的斷裂行為［J］.化工機(jī)械，2000，27（3）：139～142.

［6］Webster G A.Fracture mechanics in creep range［J］.Strain Analysis，1994，29：215～223.

Analysis on Reason of Fracture of 20 Steel Pipe Clamp of Support-hanger

WANG Hai-shuai，LIU Ming，HE Gui-kuan，YANG Lin，GAO Yang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

The reason of fracture of clip of heat-supply extraction steam pipe in some power plant was investigated by ABAQUS analysis，which could simulate the real product operation conditions of the clip.Results showed that the allowable stress of 20 steel exceeded critical value was the main reason.The problem was solved with a strengthened pipe clamp used.

20 steel；Finite element；Fracture

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.012

TM621.7

B

2095-3429（2015）04-0042-03

2015-07-22

修回日期：2015-08-06

王海帥（1988-），男，湖北人，碩士，主要從事火電廠管道支吊架系統(tǒng)的檢測與振動(dòng)防治研究工作。