結合電測法的再熱蒸汽管道支吊架應力分析

摘 要：蒸汽管道支吊架偏斜直接影響管道正常運行，對其強度以及剛度進行分析非常重要。文章對再熱蒸汽管道應力應變進行有限元分析，結合電測法對支吊架進行了應變分析。計算結果表明，ANSYS軟件可以很好的反應管道應力分布情況。根據模擬結果對于重點部位進行電測法測量支吊架應變，準確地反應了啟機過程中支吊架的變形情況，對于校驗支吊架安全性能起到很好地輔助作用。

關鍵詞：ANSYS；支吊架；電測法；應變

引言

支吊架是管道系統中重要的組成部分之一，它對管道起支撐荷載、限制位移、控制振動等作用。在設計中合理布置和正確選擇支吊架功能，是減小管道應力和系統振動的有效途徑。而電廠的蒸汽管道與其他管道相比有其自身的特點：高溫高壓、位移量大、安全性和可靠性要求高等。火電廠中無論新裝機組還是運行多年的老機組，管道系統中都不可避免地出現支吊架失效的現象[1-3]。失效的支吊架會導致管道偏離原有的設計狀態，對管道系統及相關設備的安全運行帶來重大的隱患，進而影響整個電廠的安全可靠運行。

隨著大容量、高參數工藝設備的不斷發展，各類工廠的管道尺寸相應增大而且支吊架零部件重量也不斷增加，而按照傳統的管道設計流程并未考慮支吊架零部件重量對支吊架彈性件選型及管道系統造成的影響，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整。彈性件工作在非設計狀態，嚴重者造成彈簧壓死或提前失效，也使管道各支吊點工作荷載發生轉移，引發支吊架脫載或過載，從而引起管道應力增大造成裂紋或破裂，嚴重威脅機組或設備安全。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，同時這也是提高電廠管道安全運行的重要途徑。文章采用實驗與有限元計算相結合的方法，以某電廠的再熱蒸汽管道的力學分析為例。利用有限元技術對整體管道進行分析計算，得到關鍵部位的力學情況。在此基礎上，再利用電測法技術測量關鍵部位支吊架在啟機后若干小時的應變，從而為支吊架強度、剛度評估起到輔助作用。

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。時均承受內壓2.6MPa，工作溫度小于540℃。管道在室溫的彈性模量214KN/mm2，計算溫度下線膨脹系數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。在建模和計算中不考慮焊縫局部影響和管道初始缺陷，只考慮穩態溫度場影響，即準靜態熱應力分析。采用三維實體單元計算自由度數太大，計算成本過高；采用二維梁單元計算則無法進行內壓計算。文章計算采用PIPE20管單元和COMBIN39[4-6]彈簧單元進行模擬，重力由 ANSYS[7]軟件自動施加，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，管道從編號為H-06支架到編號為H-05a支架這段由于沒有其他支架進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，所以管道變形對其影響最大。圖4為再熱蒸汽管道Mises應力分布圖，從圖中也可得知H-06支架到H-05a支架此段彎頭部分出現局部應力集中現象，Mises應力在彎頭處達到最大值。

由ANSYS可以計算得到H-06支架與H-05a支架Z向與Y向的偏移值，再根據實地測量可以得到管道實際偏移值，由此得到這兩處支架偏移值對比值見表1。

由表1可以看出模擬值與實測值雖然存在一定的差距，但是測量的誤差基本沒有超過5%，管道模擬總體的變形位移的趨勢和實際發生的偏移趨勢還是大致相同的，ANSYS模擬得到的結果可以較為準確的判斷管道偏移量。

2 管道支架應變測量

在ANSYS軟件模擬得到的結果基礎上，對H-06支架與H-05a支架使用電測法測量其啟機過程中管道偏移對其影響變化，用來衡量支架強度、剛度等問題起到輔助作用。啟機過程中對管道支架H-05a與支架H-06粘貼高溫應變片[8]，連接動態應變儀對其進行應變測量。為提高高溫應變測量數據的準確性，需考慮熱輸出值、高溫蠕變、貼片工藝等影響，通過熱標定和溫度補償片進行修正。應變計算公式為：

？著=KRVR-K0V0

式中：KR-工作片的靈敏系數；

K0-補償片的靈敏系數；

VR-工作片的熱輸出值；

V0-補償片的熱輸出值。

其測量數據如圖5。支架H-05a與支架H-06隨著鍋爐溫度升高，其應變值也相應增大。鍋爐溫度從點火開始升到535度時，H-05a支架微應變增加了約70，H-06支架微應變增加了約45。支架的微應變大體上隨溫度升高線性增加，當鍋爐溫度升溫到500度左右時，支架微應變上升幅度有所變化。總體來說，鍋爐在升溫過程中管道支架應變變化程度較小，對支架的承載性能影響較小。

3 結束語

從計算結果可知，再熱蒸汽管道模擬值與實測值誤差基本沒有超過5%，模擬得到的結果可以較為準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局部應力集中現象，Mises應力在此段彎頭處達到最大值。

從電測結果可知，鍋爐溫度從點火開始升到535度時，H-05a支架與H-06支架微應變隨之增大。總體來說兩處支架應變變化程度較小，對支架整體承載能力影響較小。

文章通過有限元模擬與電測法相結合，有效地解決火力電廠蒸汽管道支吊架強度與剛度問題。通過實例試用，效果較為理想，對電廠支吊架檢測與調整有實際意義。

參考文獻

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