劉 明,胡 鑫,陳 銳 (華電電力科學(xué)研究院有限公司,杭州 310030) 

摘 要:某電廠主蒸汽管道支吊架 D9型管夾發(fā)生變形。采用化學(xué)成分分析及有限元分析等方 法對管夾的變形原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該管夾在運(yùn)行狀態(tài)下的最大拉應(yīng)力達(dá)到124MPa,位 于管夾折彎角外表面。最大拉應(yīng)力超過了材料的許用應(yīng)力值,加速了管夾在高溫狀態(tài)下的蠕變速 率,蠕變變形不斷累積使得管夾兩端變形上翹明顯。 

關(guān)鍵詞:支吊架;管夾;變形;有限元分析;蠕變 中圖分類號:TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)04-0077-0

對于火電廠的汽水管道系統(tǒng)來說,管道支吊架 是管道的承載部件,對管道的安全運(yùn)行具有重要的 作用。每個(gè)支吊架裝置都是由裝在管道上的部件和 固定在承載結(jié)構(gòu)上的部件以及與這兩類部件相連接 的中間部件組成,大體可以分為:管部結(jié)構(gòu)、功能件、 根部結(jié)構(gòu)和連接件。其中直接安裝在管道上的部件 稱為管部,其是管道支吊裝置中的唯一不可缺少的 部件,按其同管道的連接方式可分為:焊接式(一般 用于介質(zhì)參數(shù)不高的管道)和夾持式(普遍推薦采用 的型式)兩種[1]。 西北電力設(shè)計(jì)院編制的1983版《火力發(fā)電廠汽 水管道支吊架手冊》廣泛應(yīng)用于各等級火電機(jī)組的 管道支吊架的設(shè)計(jì)中,其中適用于高溫管道立管段 的管部結(jié)構(gòu)只有 D9(含 加 強(qiáng) 的 D9A)型 夾 持 式 管 夾,該型管夾直接采用鋼板折彎制造,具有結(jié)構(gòu)簡 單、制造便捷的優(yōu)點(diǎn)。 在現(xiàn)場檢查過程中,經(jīng)常發(fā)現(xiàn)高溫管道上的 D9 型管夾兩端有變形上翹現(xiàn)象,造成管道下沉、管道支 吊架載荷分配異常,進(jìn)而影響管道的應(yīng)力分布,不利 于管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)展至管夾 斷裂[2-4]。 某亞臨界300 MW 火電機(jī)組,采用一次中間再 熱自然循環(huán)鍋爐,其主蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力17.5MPa, 設(shè)計(jì)溫度540 ℃。管道規(guī)格,主管為ID387mm× 41mm,支管為ID273 mm×30 mm,管道材料為 A335P91鋼。現(xiàn)場 檢 查 發(fā) 現(xiàn) 該 主 蒸 汽 管 道 標(biāo) 高 15.0 m 的一組立管雙拉桿彈簧吊架的管夾兩端上 翹變形,其變形示意圖如圖1所示。查閱設(shè)計(jì)資料 得知該吊點(diǎn)及對應(yīng)吊架的設(shè)計(jì)信息如表1所示。 現(xiàn)場檢查顯示該吊點(diǎn)的彈簧吊架安裝正確,冷 熱態(tài)工作載荷均正常,在機(jī)組檢修時(shí)拆除管夾處的 保 溫層,對變形的支吊架管夾結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了實(shí)際測量,測量數(shù)據(jù)顯示該管夾大體是依照支吊架手冊 中的 D9.480H(C=1250)型尺寸進(jìn)行下料制造的。 目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對管夾的變形范圍有具體 的規(guī)定,因而也無法判定該變形情況是否滿足要求。 由于該主汽管道上還有多組立管吊架,為準(zhǔn)確分析 管夾變形的詳細(xì)原因,評判管夾變形的危害程度,避 免給機(jī)組運(yùn)行帶來安全隱患,筆者對該立管管夾進(jìn) 行了成分分析和受力情況仿真分析。 

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 化學(xué)成分分析

該管夾與主蒸汽管道直接接觸、屬于高溫部件, 按 照 設(shè) 計(jì) 圖 紙 及 支 吊 架 手 冊 要 求,應(yīng) 該 選 用 12Cr1MoV 鋼材料,現(xiàn)場采用 ARL8860 型直讀式 光譜儀對管夾材料進(jìn)行了化學(xué)成分分析,分析結(jié)果 表明材料化學(xué)成分正常,詳細(xì)結(jié)果見表2。

1.2 有限元分析

1.2.1 計(jì)算模型 

根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際布置形式,按照各部件實(shí)際尺寸 建立三維實(shí)體模型,考慮到該管夾及管道結(jié)構(gòu)的對 稱性,在此只建立四分之一結(jié)構(gòu)模型,管夾的兩個(gè)螺 栓 M1和 M2螺栓采用簡化的剛性梁約束代替,三 維有限元模型如圖 2 所示。整個(gè)模型共劃分單元 40932個(gè),全部采用六面體單元,管夾處網(wǎng)格加密。

1.2.2 分析工況及材料參數(shù) 

考慮到運(yùn)行熱態(tài)下管夾材料的承載強(qiáng)度更低, 在此重點(diǎn)對運(yùn)行熱態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力分布情況進(jìn)行分 析,假定整個(gè)模型處于運(yùn)行溫度狀態(tài)下(取主蒸汽管 道的設(shè)計(jì)溫度540 ℃),根據(jù)管道及管夾材料類型, 采用線彈性本構(gòu)模型,分別輸入對應(yīng)材料的參數(shù),如 表3所示。

1.2.3 邊界條件 

將管夾與管道的接觸面設(shè)置為剛性接觸,根據(jù) 模型的對稱特征,在管道兩組對稱面上設(shè)置法向約 束(包括 M2螺栓中心點(diǎn)),管道上表面的豎直向位 置設(shè)置為零。M1螺栓是承受該吊點(diǎn)重力載荷的螺 栓,對管夾無法向約束作用,在此保持 M1螺栓中心 點(diǎn)自由位移狀態(tài)。在 M1螺栓的中心點(diǎn)位置添加豎 直向上的載荷14653N(吊點(diǎn)工作載荷的1/4),管 道內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷17.5MPa,整個(gè)模型添加重 力載荷。

1.2.4 計(jì)算結(jié)果 

計(jì)算所得的最大主應(yīng)力(最大拉應(yīng)力)云圖如 圖3所 示,計(jì) 算 結(jié) 果 顯 示 管 夾 最 大 拉 應(yīng) 力 124.0MPa,位于管夾內(nèi)折彎角外表面,最大應(yīng)力未 達(dá)到材料屈服強(qiáng)度,說明采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行 計(jì)算是可行的。 計(jì)算所得的豎直向最大位移(相對變形)云圖如 圖4所示,計(jì)算結(jié)果顯示 M1螺栓處的最大變形量 在 2.0mm 左 右,遠(yuǎn) 小 于 現(xiàn) 場 實(shí) 際 測 量 數(shù) 值 (15.0mm)。

2 分析與討論 

結(jié)合管夾實(shí)際工作狀態(tài),初步推斷管夾在高溫 運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生了蠕變變形[5],導(dǎo)致管夾實(shí)際變形 量大于理論計(jì)算值。GB/T17116.1—2018《管道支 吊架 第1部分:技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定,12Cr1MoV 鋼板 在540 ℃條件下的許用應(yīng)力為68.0MPa,顯然管夾 實(shí)際最大應(yīng)力明顯超過材料許用應(yīng)力,因而可以判 斷應(yīng)力水平偏高是導(dǎo)致管夾變形的主要因素。 為評判變形管夾的危險(xiǎn)性大小,采用等溫線外 推法進(jìn)行蠕變壽命評估: σ=A(tr)m (1) 式中:σ為加載應(yīng)力;tr 為斷裂時(shí)間;A 和m 為試驗(yàn) 確定的材料參數(shù)。 由于未進(jìn)行實(shí)際管夾材料持久強(qiáng)度試驗(yàn),在此 參考 DL/T654—2009《火電機(jī)組壽命評估技術(shù)導(dǎo) 則》給出的540 ℃條件下12Cr1MoV 鋼原始管材的 多組蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管夾蠕變壽命粗略估算,將 管夾最大拉應(yīng)力124.0 MPa帶入式(1),根據(jù)不同 的材料參數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表4。

根據(jù)不同的試驗(yàn)參數(shù)得到的蠕變壽命估算結(jié)果 為14507~194461h,數(shù)據(jù)較為離散,截止目前機(jī) 組已經(jīng)運(yùn)行11009h,已接近計(jì)算所得的最小蠕變 壽命14507h。

3 結(jié)論及建議

該立管管夾的兩端上翹變形主要是由于管夾局 部應(yīng)力水平偏高,加速了管夾局部位置在高溫狀態(tài) 下的蠕變速率,蠕變變形不斷增大導(dǎo)致了管夾兩端 上翹明顯。 建議相關(guān)發(fā)電企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)該類管夾的監(jiān)督檢 查,發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)消除。通過三維有限元仿真分析 可知,D9型管夾運(yùn)行狀態(tài)下的主要拉應(yīng)力區(qū)位于管 夾折彎角外表面,其中最大拉應(yīng)力位于折彎角外表 面上部,在以后的檢修中應(yīng)加強(qiáng)對該區(qū)域的無損探 傷檢測。

來源：材料與測試網(wǎng)