摘 要：蒸汽管道支吊架偏斜直接影響管道正常運(yùn)行，對(duì)其強(qiáng)度以及剛度進(jìn)行分析非常重要。文章對(duì)再熱蒸汽管道應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行有限元分析，結(jié)合電測(cè)法對(duì)支吊架進(jìn)行了應(yīng)變分析。計(jì)算結(jié)果表明，ANSYS軟件可以很好的反應(yīng)管道應(yīng)力分布情況。根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)于重點(diǎn)部位進(jìn)行電測(cè)法測(cè)量支吊架應(yīng)變，準(zhǔn)確地反應(yīng)了啟機(jī)過(guò)程中支吊架的變形情況，對(duì)于校驗(yàn)支吊架安全性能起到很好地輔助作用。

關(guān)鍵詞：ANSYS；支吊架；電測(cè)法；應(yīng)變

引言

支吊架是管道系統(tǒng)中重要的組成部分之一，它對(duì)管道起支撐荷載、限制位移、控制振動(dòng)等作用。在設(shè)計(jì)中合理布置和正確選擇支吊架功能，是減小管道應(yīng)力和系統(tǒng)振動(dòng)的有效途徑。而電廠的蒸汽管道與其他管道相比有其自身的特點(diǎn)：高溫高壓、位移量大、安全性和可靠性要求高等?；痣姀S中無(wú)論新裝機(jī)組還是運(yùn)行多年的老機(jī)組，管道系統(tǒng)中都不可避免地出現(xiàn)支吊架失效的現(xiàn)象[1-3]。失效的支吊架會(huì)導(dǎo)致管道偏離原有的設(shè)計(jì)狀態(tài)，對(duì)管道系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)重大的隱患，進(jìn)而影響整個(gè)電廠的安全可靠運(yùn)行。

隨著大容量、高參數(shù)工藝設(shè)備的不斷發(fā)展，各類工廠的管道尺寸相應(yīng)增大而且支吊架零部件重量也不斷增加，而按照傳統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)流程并未考慮支吊架零部件重量對(duì)支吊架彈性件選型及管道系統(tǒng)造成的影響，以致大量彈簧套筒支吊架或恒力彈簧吊架安裝后需要不斷調(diào)整。彈性件工作在非設(shè)計(jì)狀態(tài)，嚴(yán)重者造成彈簧壓死或提前失效，也使管道各支吊點(diǎn)工作荷載發(fā)生轉(zhuǎn)移，引發(fā)支吊架脫載或過(guò)載，從而引起管道應(yīng)力增大造成裂紋或破裂，嚴(yán)重威脅機(jī)組或設(shè)備安全。因此，開展蒸汽管道支吊架偏斜問題的研究是非常有必要的，同時(shí)這也是提高電廠管道安全運(yùn)行的重要途徑。文章采用實(shí)驗(yàn)與有限元計(jì)算相結(jié)合的方法，以某電廠的再熱蒸汽管道的力學(xué)分析為例。利用有限元技術(shù)對(duì)整體管道進(jìn)行分析計(jì)算，得到關(guān)鍵部位的力學(xué)情況。在此基礎(chǔ)上，再利用電測(cè)法技術(shù)測(cè)量關(guān)鍵部位支吊架在啟機(jī)后若干小時(shí)的應(yīng)變，從而為支吊架強(qiáng)度、剛度評(píng)估起到輔助作用。

1 有限元分析

以某電廠再熱蒸汽管道及其支吊架為例進(jìn)行研究，有限元分析軟件為ANSYS。再熱蒸汽管道有10Cr1Mo910高溫鋼制造，蒸汽管道外徑508mm，壁厚16mm。時(shí)均承受內(nèi)壓2.6MPa，工作溫度小于540℃。管道在室溫的彈性模量214KN/mm2，計(jì)算溫度下線膨脹系數(shù)12.5×10-6℃-1。蒸汽管道的有限元模型如圖1所示，模型所在坐標(biāo)系如圖1所示，X軸水平向東，Z軸垂直向上，Y軸水平向北。在建模和計(jì)算中不考慮焊縫局部影響和管道初始缺陷，只考慮穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)影響，即準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力分析。采用三維實(shí)體單元計(jì)算自由度數(shù)太大，計(jì)算成本過(guò)高；采用二維梁?jiǎn)卧?jì)算則無(wú)法進(jìn)行內(nèi)壓計(jì)算。文章計(jì)算采用PIPE20管單元和COMBIN39[4-6]彈簧單元進(jìn)行模擬，重力由 ANSYS[7]軟件自動(dòng)施加，重力加速度取9.8KN/t。

該管道的位移變形云圖見圖2和圖3，由圖可知，管道從編號(hào)為H-06支架到編號(hào)為H-05a支架這段由于沒有其他支架進(jìn)行限制所以位移變形都偏大，H-06支架與H-05a支架距離此段最近，所以管道變形對(duì)其影響最大。圖4為再熱蒸汽管道Mises應(yīng)力分布圖，從圖中也可得知H-06支架到H-05a支架此段彎頭部分出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，Mises應(yīng)力在彎頭處達(dá)到最大值。

由ANSYS可以計(jì)算得到H-06支架與H-05a支架Z向與Y向的偏移值，再根據(jù)實(shí)地測(cè)量可以得到管道實(shí)際偏移值，由此得到這兩處支架偏移值對(duì)比值見表1。

由表1可以看出模擬值與實(shí)測(cè)值雖然存在一定的差距，但是測(cè)量的誤差基本沒有超過(guò)5%，管道模擬總體的變形位移的趨勢(shì)和實(shí)際發(fā)生的偏移趨勢(shì)還是大致相同的，ANSYS模擬得到的結(jié)果可以較為準(zhǔn)確的判斷管道偏移量。

2 管道支架應(yīng)變測(cè)量

在ANSYS軟件模擬得到的結(jié)果基礎(chǔ)上，對(duì)H-06支架與H-05a支架使用電測(cè)法測(cè)量其啟機(jī)過(guò)程中管道偏移對(duì)其影響變化，用來(lái)衡量支架強(qiáng)度、剛度等問題起到輔助作用。啟機(jī)過(guò)程中對(duì)管道支架H-05a與支架H-06粘貼高溫應(yīng)變片[8]，連接動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。為提高高溫應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需考慮熱輸出值、高溫蠕變、貼片工藝等影響，通過(guò)熱標(biāo)定和溫度補(bǔ)償片進(jìn)行修正。應(yīng)變計(jì)算公式為：

？著=KRVR-K0V0

式中：KR-工作片的靈敏系數(shù)；

K0-補(bǔ)償片的靈敏系數(shù)；

VR-工作片的熱輸出值；

V0-補(bǔ)償片的熱輸出值。

其測(cè)量數(shù)據(jù)如圖5。支架H-05a與支架H-06隨著鍋爐溫度升高，其應(yīng)變值也相應(yīng)增大。鍋爐溫度從點(diǎn)火開始升到535度時(shí)，H-05a支架微應(yīng)變?cè)黾恿思s70，H-06支架微應(yīng)變?cè)黾恿思s45。支架的微應(yīng)變大體上隨溫度升高線性增加，當(dāng)鍋爐溫度升溫到500度左右時(shí)，支架微應(yīng)變上升幅度有所變化?？傮w來(lái)說(shuō)，鍋爐在升溫過(guò)程中管道支架應(yīng)變變化程度較小，對(duì)支架的承載性能影響較小。

3 結(jié)束語(yǔ)

從計(jì)算結(jié)果可知，再熱蒸汽管道模擬值與實(shí)測(cè)值誤差基本沒有超過(guò)5%，模擬得到的結(jié)果可以較為準(zhǔn)確的判斷管道偏移量。H-06支架到H-05a支架此段彎頭部分出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，Mises應(yīng)力在此段彎頭處達(dá)到最大值。

從電測(cè)結(jié)果可知，鍋爐溫度從點(diǎn)火開始升到535度時(shí)，H-05a支架與H-06支架微應(yīng)變隨之增大?？傮w來(lái)說(shuō)兩處支架應(yīng)變變化程度較小，對(duì)支架整體承載能力影響較小。

文章通過(guò)有限元模擬與電測(cè)法相結(jié)合，有效地解決火力電廠蒸汽管道支吊架強(qiáng)度與剛度問題。通過(guò)實(shí)例試用，效果較為理想，對(duì)電廠支吊架檢測(cè)與調(diào)整有實(shí)際意義。

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