某發(fā)電廠蒸汽管道運行數(shù)年后，由于高溫引起的安裝應(yīng)力使管道支吊架松弛，管道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導(dǎo)致非計劃性停機檢修，影響電網(wǎng)經(jīng)濟和安全運行。為找出管道的最大應(yīng)力及應(yīng)力分析，對高溫壓力下的蒸汽管道進行現(xiàn)場應(yīng)力測試，通過重新合理調(diào)整支吊架，大幅降低了管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力并達到延壽的目的，實際驗證表明該方法具有良好的降應(yīng)力效果。
蒸汽管道的結(jié)構(gòu)和測點布置
蒸汽管道材料為10CrMo910，斷面為D273*45mm，管系共安裝8個支吊架，其中5處安裝彈簧吊架（P2、P3、P4、P6、P7）,2處為導(dǎo)向支架（P1、P5），1處限位支架P8。管道長期運行后，由于高溫高壓引起的安裝應(yīng)力和附加彎矩，在垂直28m的管道上有4個吊架產(chǎn)生了塑變，垂直管道整體偏離安裝軸線，同時在機組啟動、變負荷期，應(yīng)力交變重復(fù)出現(xiàn)，管子頻繁地經(jīng)受彎曲疲勞，并有較明顯地振動，管道與高壓包的連接處嚴重變形，產(chǎn)生縫隙發(fā)生蒸汽的大量泄露。機組運行時，管道系統(tǒng)受到重力、內(nèi)壓和溫度應(yīng)力的聯(lián)合作用，為揭示應(yīng)力與溫度變化關(guān)系，在機組大修期間，對其長期在高溫高壓下運行的蒸汽管道的工作應(yīng)力進行了現(xiàn)場測試，通過電阻應(yīng)變儀監(jiān)視起動過程中管道測點部位應(yīng)變變化情況，利用彈性理論的公式由記錄的應(yīng)變值計算出不同參數(shù)時的應(yīng)力水平。本次測試選擇了3個截面9個點。另在Ⅲ截面內(nèi)側(cè)安裝了2個百分表測膨脹位移，用于分析管系的位移和由此產(chǎn)生的管道推力，從而達到全面分析管系受力強度目的，同時，在3個截面各裝一對熱電偶，隨時監(jiān)測這些截面的實際工作溫度。
測試方案和結(jié)果分析
測點選擇的原則是管系應(yīng)力最大部位，根據(jù)管系的結(jié)構(gòu)、走向、支吊架設(shè)置，本次測試選擇了3個約束剛度最大的部位安裝高溫應(yīng)變片，在吊架調(diào)整前測出這些部位原始受力狀態(tài)，為合理調(diào)整應(yīng)力提供依據(jù)。測量以機組冷態(tài)為零應(yīng)力狀態(tài)，測試分2個階段進行。第1階段，吊架調(diào)整前從冷態(tài)升至額定溫度和壓力，測出各點的應(yīng)力后停機回到冷態(tài)，根據(jù)實測應(yīng)力調(diào)整吊架。進行第2階段測試，從冷態(tài)升至額定溫度和壓力，再次測試各點的應(yīng)力。吊架調(diào)整前后2次數(shù)據(jù)進行對比，驗證了調(diào)整后的關(guān)系降應(yīng)力效果（見表1）。表1中的應(yīng)力值是一次應(yīng)力和二次應(yīng)力之和，包含了設(shè)計中無法和沒有考慮的因素，彌補了設(shè)計、施工和實際運行之間的差異。較完整地反映了管系由啟動到額定參數(shù)時各個階段的管系應(yīng)力值，真實地顯示了管系的應(yīng)力水平，是評定關(guān)系安全性評估剩余壽命的主要科學(xué)依據(jù)。
表1 吊架調(diào)整前后各測點應(yīng)力值
測點 | 方向 | 調(diào)整前應(yīng)力/MPa | 調(diào)整后應(yīng)力/MPa | |||||
194℃/0.15MPa | 295℃/1.25MPa | 408℃/1.86MPa | 498℃/7.38MPa | 533℃/13.5MPa | 室溫 | 533℃/13.5MPa | ||
1 | Ε90 | 56.6 | 59.6 | 91.7 | 97.0 | 107.2 | -15.5 | 40.3 |
Ε45 | 57.3 | 64.9 | 85.6 | 99.4 | 103.6 | -14.5 | 45.1 | |
Ε0 | 69.1 | 67.3 | 76.9 | 91.8 | 104.1 | -6.04 | 38.4 | |
2 | Ε90 | 75.5 | 91.1 | 95.0 | 98.6 | 97.9 | -6.91 | 56.2 |
Ε45 | 75.1 | 88.7 | 82.9 | 89.6 | 97.5 | -0.21 | 46.9 | |
Ε0 | 31.5 | 87.8 | 95.3 | 106.1 | 112.9 | -7.34 | 55.7 | |
3 | Ε90 | 83.0 | 94.5 | 98.4 | 96.8 | 101.7 | 3.5 | 78.4 |
Ε45 | 57.7 | 99.1 | 108.3 | 108.8 | 113.7 | -2.47 | 75.4 | |
Ε0 | 31.3 | 66.3 | 76.0 | 79.8 | 90.7 | -0.64 | 72.9 | |
4 | Ε90 | 56.1 | 60.9 | 63.9 | 62.1 | 65.3 | ||
Ε0 | 39.7 | 42.8 | 37.4 | 43.9 | 54.6 | |||
5 | Ε90 | 74.9 | 88.1 | 81.7 | 90.3 | 95.0 | -10.6 | 51.2 |
Ε0 | 75.5 | 71.2 | 82.9 | 85.6 | 88.6 | -18.6 | 37.1 | |
6 | Ε90 | 67.1 | 71.3 | 74.5 | 88.5 | 72.4 | -5.5 | 49.1 |
Ε45 | 66.9 | 69.4 | 98.9 | 93.7 | 68.0 | -4.03 | 43.8 | |
Ε0 | 62.3 | 73.8 | 65.9 | 82.7 | 55.1 | -3.04 | 42.3 | |
7 | Ε90 | 59.8 | 62.3 | 91.1 | 93.4 | 94.7 | 0 | 57.5 |
Ε45 | 70.6 | 88.5 | 95.9 | 88.1 | 74.7 | -1.72 | 55.5 | |
Ε0 | 60.6 | 64.3 | 61.7 | 68.5 | 58.9 | -0.74 | 50.1 | |
8 | Ε90 | 78.0 | 77.8 | 83.7 | 74.4 | 75.3 | -11.0 | 55.1 |
Ε0 | 65.4 | 85.0 | 76.6 | 74.9 | 63.9 | -10.4 | 46.7 | |
9 | Ε90 | 65.6 | 88.4 | 89.1 | 91.7 | 98.7 | 2.76 | 76.5 |
Ε45 | 64.1 | 74.4 | 83.6 | 87.9 | 93.9 | 1.51 | 74.6 | |
Ε0 | 56.5 | 63.2 | 70.5 | 77.4 | 84.0 | 2.7 | 71.6 | |
在吊架調(diào)整前，在Ⅲ截面主管道90°拐彎處兩側(cè)各有一個定向支座，使管道不能沿徑向位移，而此管道的軸向位移為14.88mm?？梢钥闯觯@里的管道應(yīng)力不僅受內(nèi)壓載荷外，還受到軸向產(chǎn)生的額外附加力矩的影響。從測點7軸向應(yīng)力（σε90=94.7MPa）明顯大于同一點的環(huán)向應(yīng)力（σε0=58.9MPa）。結(jié)果表明，軸向應(yīng)力最大處在Ⅰ截面測點1（σε90=107.2MPa），主要原因是管道上4個吊架產(chǎn)生了塑變，Ⅱ截面測點3最大軸向應(yīng)力σε90=101.7MPa，環(huán)向應(yīng)力σε0=90.7MPa；測點6軸向應(yīng)力σε90=72.4MPa，環(huán)向應(yīng)力σε0=55.1MPa。結(jié)果表明，在90°彎道處有附加彎曲力矩對管道產(chǎn)生影響。在Ⅲ截面測點9軸向應(yīng)力σε90=98.7MPa，環(huán)向應(yīng)力σε0=84.0MPa，表明也有附加彎矩應(yīng)力。
吊架調(diào)整后，Ⅰ截面測點1、2在額定溫度和最大氣壓下，管道軸向和環(huán)向應(yīng)力下降了35%-55%，Ⅱ截面測點3、6的軸向和環(huán)向應(yīng)力下降了20%-30%，Ⅲ截面測點7、9軸向和環(huán)向應(yīng)力下降18%-35%，同時也表明在管道的90°彎道處，調(diào)整吊架后，大部分附加彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力被消除，盡可能地減小了安裝產(chǎn)生的應(yīng)力。測點4在維修過程中有損壞，其他測點的應(yīng)力都有不同程度的下降。
總結(jié)
實測數(shù)據(jù)表明，吊架調(diào)整后把管道應(yīng)力重新分配而較合理，產(chǎn)生了明顯地降應(yīng)力效果，說明該方案有效，結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)是其使用壽命的關(guān)鍵調(diào)控因素，通過現(xiàn)場高溫應(yīng)變實測，獲得了結(jié)構(gòu)溫度對管道應(yīng)力的影響規(guī)律，對高溫壓力管道延壽研究及進一步的壽命管理具有重要的意義。
