疏水管道彈簧吊架受力狀態實時同步測試

朱曉鋒，陳 騁，蔣思陽

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

電廠汽水管道支吊架的作用是承受管道重力、偶然的沖擊載荷和控制管道在工作狀態下的位移和振動。隨著機組運行時間的累積，管道支吊架狀態會出現變化，一旦支吊架部分或全部喪失其功能，管道承載和約束條件將發生變化，管道位移和應力分布將偏離設計狀態，管道應力峰值增高，局部可能超過管材許用應力，加快高溫管道高應力蠕變損傷，縮短管道應有的使用壽命。

應變測試技術是應用最廣泛和適用性最強的應力應變分析方法之一。其中，應變電測法主要使用電阻應變計進行測量，電阻應變計具有測量準確度和靈敏度高、測量范圍廣的特點，能連續測量和記錄，能實現遠距離測量；此外，它還能方便地應用于控制系統中，使生產過程自動化。因此，應變電測法逐步應用于各種工程結構的應力分析中。

1 AHP疏水系統彈簧吊架破壞分析

高壓給水加熱器系統(AHP)的功能是利用汽輪機高壓缸的抽汽加熱給水，并接收汽水分離再熱器疏水，以進一步提高機組熱力循環效率。高壓給水加熱器系統包括給水系統、抽汽系統、疏水系統、放氣系統及卸壓系統。AHP疏水管道B列有限元模型如圖1所示。

疏水系統運作過程中，汽水分離再熱器第1級再熱器的疏水經隔離閥和控制閥排入高壓加熱器疏水箱，其閃發蒸汽則進入高壓加熱器汽側，疏水箱疏水先進入高壓加熱器殼體與高壓加熱器自身的疏

水匯集后，經過疏水閥(217VL)所在管道排往除氧器。疏水量由高壓加熱器水位控制器自動控制，當水位過高時，開啟應急疏水閥(218VL)直接排往冷凝器。另外，當機組負荷小于40 %額定負荷時，由于抽氣壓力較低，高壓加熱器內壓力不足以把疏水送到除氧器，則由高水位信號開啟應急疏水閥把疏水直接排往冷凝器。在機組大修停機降功率過程中，位于立管管道編號為AHP-L041-S028的立管彈簧吊架彈簧發生破壞，彈簧箱上部頂板脫落。

圖1 AHP疏水管道B列有限元模型

2 彈簧吊架破壞原因預判

AHP疏水管道B列AHP-L041-S028可變彈簧吊架為Carpenter & Paterson Ltd產品，該產品彈簧箱與彈簧壓板的連接方式并非焊接，而是采用搭接方式。該連接方式的優點是能保護管道、降低管道損傷，即在出現緊急情況時以彈簧破壞為代價保護管道。因此，預判AHP-L041-S028可變彈簧吊架發生破壞的原因是，在大修停機降功率過程中，該處的載荷超過了彈簧承載的最大允許值。

經研究，能夠引起彈簧超載的原因主要有以下4點：

(1) 管道布置設計不合理，導致管道應力超標，載荷超過彈簧允許值；

(2) 彈簧安裝或設計不合理，導致彈簧承受的實際載荷超出設計載荷；

(3) 運行操作不當，導致管道發生振動或沖擊；

(4) 閥門卡澀導致管道發生振動或沖擊。

因此，首先對該管道進行校核，校核前后彈簧的參數值如表1所示?？芍?，彈簧校核值與設計值基本一致。另外，管道一次應力與二次應力均未超過許用應力的30 %。

表1 AHP-L041-S028可變彈簧校核結果與原設計參數

其次，通過與運行人員的溝通，確認機組在大修停機降功率過程中，運行操作完全符合核電機組運行操作規程。

綜上所述，從現有信息難以判斷AHP疏水管道B列AHP-L041-S028可變彈簧吊架破壞的原因。因此，按原設計對該彈簧進行恢復，并做加固處理。在機組第2次大修停機降功率過程中，通過應變電測技術以及動態信號測試系統，對AHP疏水管線B列所有立管可變彈簧吊架載荷變化情況進行實時監測與記錄，以期找出彈簧破壞原因。

3 實時同步測試方案

3.1 應變電測法的基本原理

應變電測法是用電阻應變片測定構件表面的線應變，再根據應變—應力關系確定構件表面應力狀態的一種實驗應力分析方法。

這種方法是將電阻應變片粘貼在被測構件的表面，當構件發生變形時，電阻應變片的電阻值將發生相應的變化，然后通過電阻應變計將此電阻值的變化轉換成電壓(或電流)的變化，再換算成應變值；或者輸出與此應變成正比的電壓(或電流)信號，再由記錄儀進行記錄，就可得到所測定的應變或應力值。

3.2 應變電測法的優點

(1) 測量靈敏度和精度高。其最小應變為1με(με—微應變，1με=10-6ε)。在常溫靜態測量時，誤差一般為1 %～3 %；動態測量時，誤差在3 %～5 %范圍內。

(2) 測量范圍廣。

(3) 頻率響應好，可以測量從靜態到動態的應變。

(4) 輕便靈活，在現場或野外等惡劣環境下均可進行測試。

(5) 在高、低溫或高壓環境等特殊條件下也可進行測量。

(6) 便于與計算機聯結進行數據采集與處理，易于實現數字化、自動化及無線電遙測。

3.3 測試技術方案

此次測試針對AHP疏水管道B列AHPL041-S028與AHP-L041-S027 2組立管可變彈簧吊架載荷變化情況進行實時監測與記錄。組成2個全橋(惠斯通電橋)測試通道，采用全橋補償法進行溫度補償，以消除溫度變化的影響。

此次測試系統主要由信號源、電阻應變計、動態信號采集儀(東華測試DN5956信號測試分析系統)、數據采集卡與計算機軟件平臺組成。系統構成如圖2所示。

圖2 測試系統構成

由圣維南原理可知，電阻應變計測點位置應選擇在距離彈簧吊桿中部的名義應變處，并采用全橋布置形式，以提高測試精度，如圖3所示。彈簧吊桿尺寸為M30。

圖3 應變測點布置方案

4 測試結果與分析

通過對測試數據的詳細分析，發現在機組第2次大修停機降功率過程中，AHP-L041-S028與AHP-L041-S027 2組立管可變彈簧吊架載荷總體變化較為平穩。

根據測得的應變時間曲線可知，AHPL041-S028彈簧載荷曾出現連續波動變化，持續時間約7 min，最大應變幅值為33 με，約為4 900 N；而AHP-L041-S027彈簧載荷未出現較大波動變化。

將測試結果與管道運行工況進行比對后發現，彈簧載荷出現連續波動階段剛好對應應急疏水閥218VL初始調節階段。此時正常疏水的逆止閥處于頻繁的開關階段，由于動作時間很短，故正常疏水管線的水量變化較劇烈，管道內部引起程度較高的水錘，從而導致AHP-L041-S028彈簧載荷出現連續波動變化。

AHP-L041-S028彈簧的設計工作載荷為16 458 N，從測試結果可以看出，在載荷波動階段，最大載荷變化幅值約為4 900 N，彈簧實際載荷最大達到18 900 N。因此認為，在這一階段，由于AHP-L041-S028彈簧的實際載荷超過了彈簧的最大允許值，導致彈簧失效破壞。

基于上述分析結果，可進行如下處理：

(1) 對218VL疏水閥與逆止閥進行解體潤滑，以防止閥門卡澀；

(2) 在AHP-L041-S028彈簧與AHP-L041-S027彈簧之間增加粘滯阻尼器，在不影響管道自由膨脹的前提下增大管道系統阻尼，減小管道振動，降低疲勞應力。

基于應變電測技術以及動態信號測試系統相結合的測試手段，對AHP疏水管道B列所有立管變力彈簧吊架載荷變化情況進行實時監測與記錄，結合測試結果與系統運行工況分析彈簧發生破壞的原因并給出處理措施，防止彈簧再次破壞。

5 實時同步測試系統的優點

基于應變電測技術的可變彈簧吊架受力狀態實時同步測試系統具有以下優點。

(1) 該測試系統為便攜式無損檢測系統，輕便靈活，在測試過程中不會破壞彈簧吊架工作的原始工況。

(2) 該測試系統為動態信號測試分析系統，采樣頻率最高可達100 kHz，具備極強的抗干擾能力，可以準確捕捉到由于機組功率變化或者水錘引起的彈簧載荷變化峰值。

(3) 該測試系統采用以電阻應變計為基礎的電測技術，測試精度高、抗疲勞特性好，并且全橋測試技術可以補償溫度引起的熱應變。

(4) 該測試系統為多通道實時同步采集系統，可以同步記錄各通道的載荷變化情況，并將數據累計以載荷—時間曲線的形式顯示。其中的曲線擬合功能可便于準確捕捉載荷峰值出現時間以及觀測載荷變化情況。

(5) 該測試系統的超大容量硬盤可幫助系統進行長期不間斷的測試。

6 結束語

測試結果清晰地反映出，在停機降功率過程中，AHP疏水管道B列所有立管可變彈簧吊架載荷變化的情況。為正確分析與判斷導致彈簧發生破壞的原因、制定正確的治理方案提供了可靠依據。

該測試系統實時、同步、無損、可靠與準確等特點，增強了應變測試技術在管道應力應變測試中的實用性。

1 楊 杰．火力發電廠變形蒸汽管道的分析調整和監督研究[J]．中國電力，2002(1)．

2 郭延軍．支吊架失效與電廠蒸汽管道安全分析[J]．電力設備，2007(4).

3 沈觀林．應變電測與傳感器技術的新發展及應用[J]．中國測試，2011(2)．