摘 要:某電廠汽包分散下降管所有恒力吊架的冷、熱態(tài)均指示向上卡死,管道豎直向熱膨脹嚴(yán) 重受阻。采用載荷測(cè)試及有限元仿真的方法,對(duì)該分散下降管恒力吊架的故障原因進(jìn)行分析。結(jié) 果表明:該分散下降管恒力吊架的故障原因是恒力吊架選型過(guò)大,導(dǎo)致管道最大應(yīng)力升高了約 9%,端口推力矩顯著提高,但端口區(qū)域的應(yīng)力仍在安全范圍內(nèi),能夠滿(mǎn)足安全運(yùn)行的需要。

關(guān)鍵詞:分散下降管;恒力吊架;載荷測(cè)試;恒定度;熱位移

中圖分類(lèi)號(hào):TB31;TK223.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)01-0057-04

恒力吊架的輸出載荷恒定,可以為管道和設(shè)備 提供恒定的支承力,不會(huì)給管道和設(shè)備帶來(lái)附加應(yīng) 力,避免管道系統(tǒng)產(chǎn)生危險(xiǎn)的彎曲應(yīng)力,廣泛應(yīng)用于 電力、石化等行業(yè)。許多學(xué)者對(duì)恒力吊架載荷偏差、 恒定度(Δ)超標(biāo)導(dǎo)致管道位移異常的情況進(jìn)行了大 量研究[1-2],管道位移異常對(duì)管道本身以及連接設(shè)備 的安全會(huì)產(chǎn)生不利影響[3]。

在火電廠水循環(huán)回路中,汽包下降管是電廠 水循環(huán)的重要組成部分。汽包下降管接口處是汽 包的主要應(yīng)力集中區(qū)域[4],也是裂紋缺陷的多發(fā) 區(qū)域[5],下降管的工作位移、應(yīng)力狀態(tài)會(huì)對(duì)汽包接 口的端口推力產(chǎn)生影響。針對(duì)某電廠下降管位移 異常情況,筆者進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn),以避免該 類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

1 現(xiàn)場(chǎng)故障介紹

某300MW 亞臨界參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐采用 單汽包、自然循環(huán)模式,鍋爐的水循環(huán)采用集中供 水,分散引入、引出的方式,給水進(jìn)入汽包后,通過(guò) 集中下降管和分散下降管分別引入水冷壁下集箱 和水冷蒸發(fā)屏進(jìn)口集箱中,下降管的設(shè)計(jì)參數(shù)如 表1所示。

兩根分散下降管左右對(duì)稱(chēng)布置,每根管道上布 置有1組彈簧吊架、2組恒力吊架,現(xiàn)場(chǎng)檢查顯示所 有恒力吊架的冷、熱態(tài)均指示向上卡死(見(jiàn)圖1),管 道在對(duì)應(yīng)吊點(diǎn)處的豎直向位移為0,與管道熱膨脹 設(shè)計(jì)的計(jì)算位移不符。

2 吊架載荷性能測(cè)試

選取 爐 右 側(cè) 分 散 下 降 管 上 的 3 組 吊 架,用 MP10-A 型載荷位移測(cè)試儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)載荷性能測(cè) 試,3組吊架的設(shè)計(jì)型號(hào)及主要性能測(cè)試結(jié)果如表2 所示,可見(jiàn)2# ,3# 恒力吊架的恒定度均超過(guò) DL/T 1113—2009《火力發(fā)電廠管道支吊架驗(yàn)收規(guī)程》要 求,其中2# ,3# 恒力吊架的載荷-位移曲線(xiàn)如圖2 所示。

考慮到吊架的冷、熱態(tài)均指示向上卡死,初步 懷疑吊架選型過(guò)大,吊架載荷超過(guò)管道在吊架處 的吊點(diǎn)力,因而拆除2# ,3# 恒力吊架,在原吊點(diǎn)處 用手拉葫蘆及載荷傳感器吊掛管道,并保持管道 高度不變,測(cè)量管道的實(shí)際吊點(diǎn)力,測(cè)試結(jié)果顯 示:2# 恒力吊架的吊點(diǎn)力為38.1kN,3# 恒力吊架 的吊點(diǎn)力為58.9kN。利用 CAESARII軟件進(jìn)行 管道吊架選型計(jì)算,計(jì)算得到1# ,2# ,3# 吊架吊點(diǎn) 的冷態(tài)載荷分別為35646,37202,59312N,計(jì)算 結(jié)果和實(shí)際吊點(diǎn)力的測(cè)試結(jié)果相符,說(shuō)明實(shí)際吊 架選型遠(yuǎn)大于吊點(diǎn)力,造成管道無(wú)法拉動(dòng)吊架,吊點(diǎn)處的豎直向熱位移為0,管道的熱膨脹量完全被 吊架間的彎管吸收。

3 有限元仿真分析

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)管道的實(shí)際尺寸及布置形式,建立爐左側(cè) 分散下降管的三維有限元模型,并劃分網(wǎng)格,全部采 用六面體單元,沿管道壁厚方向劃分3層單元,整個(gè) 模型共劃分58752個(gè)單元,利用彈簧單元模擬吊架 載荷,SA106C鋼材料的計(jì)算參數(shù)如表3所示,有限 元模型如圖3所示。

3.2 分析工況及邊界條件

以理論設(shè)計(jì)條件(18.773MPa,361℃)為熱態(tài) 計(jì)算狀態(tài),采用冷態(tài)吊零原則。在有限元模型中吊 架載荷采用初始集中力+彈簧單元?jiǎng)偠鹊姆绞竭M(jìn)行 模擬,初始集中力即為安裝載荷,彈簧吊架吊點(diǎn)處的 彈簧單元?jiǎng)偠仍O(shè)定為實(shí)際彈簧剛度,對(duì)恒力吊架處 的彈簧單元?jiǎng)偠冗M(jìn)行計(jì)算。

假定恒力吊架在上極限位是最小輸出載荷Fmin (安裝載荷),下極限位是最大輸出載荷 Fmax [6], 并假定中間載荷線(xiàn)性變化,根據(jù)恒定度Δ計(jì)算公式進(jìn) 行推導(dǎo),可得吊架整個(gè)位移行程S 內(nèi)的等效彈簧剛 度K 的計(jì)算公式如式(1)所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果

各工況下計(jì)算吊架載荷的邊界條件如表4所示, 各工況下的吊點(diǎn)熱位移計(jì)算結(jié)果如表5~7所示(其 中x向?yàn)闋t左至爐右,y 向?yàn)槠麢C(jī)至鍋爐,z向?yàn)樨Q 直向上),2# 恒力吊架的整個(gè)位移行程S=110mm, 3# 恒力吊架的整個(gè)位移行程S=140mm。工況1下 2# ,3# 吊點(diǎn)的z向熱位移為0,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致。對(duì) 比工況2~6可以發(fā)現(xiàn),隨著恒力吊架恒定度的增大, 對(duì)應(yīng)吊點(diǎn)的z向位移不斷減小,相較于理論恒定狀態(tài) (工況2),恒定度在10%(工況5)時(shí),2# ,3# 吊點(diǎn)的z 向熱位移分別減小了57%和34%,這也是很多汽水 管道的豎直向熱位移實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值的一個(gè)重要 原因[7]。z向熱位移減小后,管道總體膨脹長(zhǎng)度不 變,導(dǎo)致x向的熱位移發(fā)生改變。

各工況下管道最大等效應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如表8 所示,相較于理論恒定狀態(tài),恒力吊架完全卡死的狀 態(tài)下,管道的最大等效應(yīng)力提高了約9%。隨著恒 定度的增大,管道最大等效應(yīng)力略有提升,但提升幅 度很小,說(shuō)明在管道柔性較大的情況下,管道自身能 夠較好地吸收熱膨脹量[8],并不會(huì)因?yàn)樨Q直向熱位 移的減小而顯著提高管道的應(yīng)力水平。

各工況下管道熱態(tài)端口的推力和推力矩對(duì)比情 況如圖4所示,可見(jiàn)各工況下端口的推力相差不大, 但推力矩相差明顯;工況1水冷蒸發(fā)屏進(jìn)口集箱接 口的推力矩顯著增大,是最小值的6倍左右;推力矩 的最小值出現(xiàn)在工況4(恒定度為6%),隨著恒定度 的減小或增大,推力矩都會(huì)增加。運(yùn)行熱態(tài)時(shí),管內(nèi) 介質(zhì)的質(zhì)量變大,適當(dāng)增加恒力吊架的恒定度,可以 提供額外的輸出載荷,以承擔(dān)增加的介質(zhì)質(zhì)量,從而 減小對(duì)端口的載荷轉(zhuǎn)移。對(duì)于一些水介質(zhì)管道(相 對(duì)汽介質(zhì)來(lái)說(shuō)質(zhì)量較大),適當(dāng)提高恒力吊架的恒定 度對(duì)結(jié)構(gòu)受力是有利的。

4 端口的應(yīng)力分析

根據(jù)薄壁圓筒的理論計(jì)算公式,對(duì)水冷蒸發(fā)屏 進(jìn)口集箱接口的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果顯示端口的最 大軸向應(yīng)力為152.1MPa。下降管與汽包接口為插 入式焊接結(jié)構(gòu),汽包規(guī)格為2090mm×145mm(外 徑×壁厚),建立接口附近的局部汽包結(jié)構(gòu)及所連接 的部分管段模型,在管道計(jì)算模型中讀取對(duì)應(yīng)端面 的位移數(shù)據(jù),作為邊界條件添加在汽包接口分析模 型的管道邊界上[9],計(jì)算得到設(shè)計(jì)運(yùn)行工況下分散 下降管汽包端口的應(yīng)力分布情況如圖5所示,可見(jiàn) 主要拉應(yīng)力區(qū)位于-x 向的焊縫下邊緣處,最大拉 應(yīng)力為193.7MPa。

水冷蒸發(fā)屏進(jìn)口集箱及汽包接口附近的最大應(yīng) 力均位于管道外表面局部區(qū)域,參照管道設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)局部應(yīng)力取許用應(yīng)力的3倍進(jìn)行校核[10],材料熱 態(tài)時(shí)的3倍許用應(yīng)力為389.1MPa,可知在恒力吊 架實(shí)際豎直向熱位移為0的情況下,分散下降管兩 端口的最大應(yīng)力仍在安全范圍內(nèi),且僅達(dá)到許用應(yīng) 力的50%,能夠滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

5 結(jié)語(yǔ)與建議

分散下降管所有恒力吊架的冷、熱態(tài)均指示向 上卡死,管道在對(duì)應(yīng)吊點(diǎn)處的豎直向位移為0的原 因是恒力吊架選型過(guò)大,且實(shí)際安裝的恒力吊架恒 定度指標(biāo)不滿(mǎn)足規(guī)范要求。在一些冷、熱態(tài)管道系 統(tǒng)質(zhì)量變化較大的情況下,適當(dāng)提高恒力吊架的恒 定度,對(duì)結(jié)構(gòu)受力是有利的。在目前管道熱位移嚴(yán) 重受阻的情況下,管道最大應(yīng)力僅升高了約9%,端 口推力矩顯著提高,不過(guò)端口區(qū)域的應(yīng)力仍在安全 范圍內(nèi),這是因?yàn)檫x用了柔性較大的管道,滿(mǎn)足了安 全運(yùn)行的需要,確保機(jī)組建成投產(chǎn)10年以來(lái)相關(guān)結(jié) 構(gòu)狀態(tài)仍保持正常。

建議電廠方在下次檢修時(shí)按照實(shí)際載荷對(duì)所有 恒力吊架進(jìn)行更換安裝。

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