摘 要:某電廠高溫再熱蒸汽管道立管管夾尾部發(fā)生變形,通過(guò)幾何尺寸測(cè)量、化學(xué)成分分析、 拉伸試驗(yàn)及熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元分析等方法,分析了管夾變形的原因。結(jié)果表明:管夾在直段與彎 曲段的轉(zhuǎn)角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,該處等效應(yīng)力超過(guò)相應(yīng)溫度下材料的屈服強(qiáng)度,導(dǎo)致管夾變形; 通過(guò)增加管夾厚度和在管夾直段與彎曲段的轉(zhuǎn)角處設(shè)置肋板,可使其最大等效應(yīng)力降低至相應(yīng)溫 度下材料的屈服強(qiáng)度以下,有效防止管夾變形。

關(guān)鍵詞:高溫;管夾;等效應(yīng)力;有限元分析

中圖分類號(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)01-0014-04

支吊架是電廠汽水管道系統(tǒng)中的重要組成部 分,具有安全承受管道載荷、合理約束管道位移、限 制管道端口對(duì)所連接設(shè)備的推力和扭矩、增加管系 穩(wěn)定性及防止管道振動(dòng)等功能[1]。由于支吊架承載 情況復(fù)雜,因此很容易發(fā)生失效[2-4],這會(huì)使管道發(fā) 生局部應(yīng)力集中,進(jìn)而導(dǎo)致管道使用壽命變短,嚴(yán)重 影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

某電廠330 MW 亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的高溫再熱 蒸 汽 管 道 設(shè) 計(jì) 溫 度 為 545 ℃,設(shè) 計(jì) 壓 力 為 4.699MPa,材料 牌 號(hào) 為 A335-P91。機(jī) 組 在 冷、熱 態(tài)檢查過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)高溫再熱蒸汽管道立管段2號(hào) 恒力吊架在未出現(xiàn)過(guò)載的情況下,管夾尾部明顯上 翹,變形部位主要集中在直段與彎曲段的轉(zhuǎn)角處,如圖1所示。該管夾材料為12Cr1MoVR 鋼,恒力吊架載荷為97220N。筆者通過(guò)幾何尺寸測(cè)量、化學(xué) 成分分析、拉伸試驗(yàn)及熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元分析等方 法,分析了管夾變形的原因。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 幾何尺寸測(cè)量

變形立管管夾及相應(yīng)管段的結(jié)構(gòu)示意如圖2所 示。管道外徑為747.5mm,壁厚為34mm,管夾的 相關(guān)尺寸見(jiàn)表1。

1.2 化學(xué)成分分析

依據(jù) GB/T14203-2016《火花放電原子發(fā)射 光譜分 析 法 通 則》,對(duì) 變 形 管 夾 進(jìn) 行 化 學(xué) 成 分 分 析,試樣1取自管夾彎曲段,試樣2取自管夾直段 與彎曲段的 轉(zhuǎn) 角 處,試 樣 3 取 自 管 夾 保 溫 層 外 的 直段處,結(jié) 果 見(jiàn) 表 2,管 夾 的 化 學(xué) 成 分 符 合 GB/T 713-2014《鍋 爐 和 壓 力 容 器 用 鋼 板 》標(biāo) 準(zhǔn) 對(duì) 12Cr1MoVR鋼的技術(shù)要求。

1.3 拉伸試驗(yàn)

依據(jù) GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,采用電子拉伸萬(wàn)能試驗(yàn) 機(jī)對(duì)管夾試樣1,2,3進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 3,其 拉 伸 性 能 均 滿 足 GB/T 713-2014 標(biāo) 準(zhǔn) 對(duì) 12Cr1MoVR鋼的技術(shù)要求。

依據(jù) GB/T228.2-2015《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第2部分:高溫試驗(yàn)方法》,采用 SANS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 對(duì)管夾試樣1,2,3進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為 400 ℃,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4,其屈服強(qiáng)度均滿足 GB/T 713-2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12Cr1MoVR鋼的技術(shù)要求。

2 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

管夾彎曲段(試樣1)長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境中,保 溫層外的管夾直段(試樣3)所處環(huán)境的最高溫度不 超過(guò)80℃,兩處試樣的化學(xué)成分和拉伸性能均基本 相同,不存在長(zhǎng)期高溫作用導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低的情 況?？紤]到管夾彎曲段長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境中,對(duì)該 管夾進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,研究管夾在高溫環(huán)境中 的應(yīng)力分布情況。

2.1 管夾溫度和應(yīng)力分布情況

根據(jù)管夾的實(shí)際尺寸和熱物理參數(shù),建立管夾 的有限元模型,管道與管夾之間、管夾與螺栓之間通 過(guò)接觸屬性設(shè)置連接,其相關(guān)熱物理參數(shù)見(jiàn)表 5。 該管段保溫層厚度為260mm,為簡(jiǎn)化計(jì)算,保溫層 視為絕熱,管夾與空氣設(shè)置為對(duì)流換熱,對(duì)管道內(nèi)壁 施加545 ℃的溫度載荷。在管道運(yùn)行穩(wěn)定后,管夾 基本處于靜止?fàn)顟B(tài),主要承受管道的重力,在結(jié)構(gòu)分 析中,限制管道拉桿的豎向位移,只考慮重力對(duì)管夾 的影響。

由圖3可見(jiàn),模擬得到管夾直段與彎段轉(zhuǎn)角處 溫度超過(guò)400℃,且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大等效應(yīng) 力為181.4MPa,超過(guò)了該溫度下材料的屈服強(qiáng)度, 該處會(huì)產(chǎn)生塑性變形,這與現(xiàn)場(chǎng)管夾情況基本一致。

2.2 管夾結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

變形立管管夾服役時(shí)間超過(guò)10a,其設(shè)計(jì)時(shí)所 依據(jù)的《汽水管道支吊架設(shè)計(jì)手冊(cè)》(西北院1983 版),未 對(duì) 非 標(biāo) 件 管 夾 的 尺 寸 做 具 體 要 求。 現(xiàn) 行 《發(fā)電廠汽水管道支吊架設(shè)計(jì)手冊(cè)》(D-ZD2010)中 提出,當(dāng)管道外徑超過(guò)325 mm 時(shí),立管管夾需設(shè) 置肋板,而 該 變 形 管 夾 無(wú) 肋 板。由 于 各 吊 架 載 荷 和 吊 點(diǎn) 間 間 距 均 不 同,現(xiàn) 行 設(shè) 計(jì) 手 冊(cè) 和 GB/T 17116.2-2018 《管道支吊架 第2部分:管道連接 部件》都 未 對(duì) 管 夾 厚 度 (板 材 厚 度)做 明 確 要 求。 基于以上分 析,考 慮 在 不 改 變 管 夾 其 他 設(shè) 計(jì) 參 數(shù) 的情況下,通過(guò)增加管夾厚度、設(shè)置肋板來(lái)提高管 夾的承載強(qiáng)度,降低管夾應(yīng)力。

將管夾厚度由原來(lái)的24 mm 增至30 mm,在 管夾直段與彎曲段的轉(zhuǎn)角處設(shè)置肋板,對(duì)優(yōu)化后的 管夾進(jìn)行有限元分析。由圖4可見(jiàn),優(yōu)化后管夾的最大等效應(yīng)力降低至171.0MPa,在吊點(diǎn)位置處,該 處溫度低于100 ℃,其應(yīng)力低于相應(yīng)溫度下材料的 屈服強(qiáng)度。管夾直段與彎曲段轉(zhuǎn)角處的最大等效應(yīng) 力未超過(guò)120MPa,遠(yuǎn)低于優(yōu)化前管夾的最大等效 應(yīng)力(181.4MPa),也小于相應(yīng)溫度下材 料 的 屈 服 強(qiáng)度。

3 結(jié)論及建議

(1)在高溫環(huán)境中,管夾在直段與彎曲段的轉(zhuǎn) 角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,其等效應(yīng)力超過(guò)相應(yīng)溫度 下材料的屈服強(qiáng)度,導(dǎo)致管夾變形。

(2)通過(guò)增加管夾厚度和在管夾直段與彎曲段 轉(zhuǎn)角處設(shè)置肋板,可有效防止管夾變形,提高管夾的 承載能力,保障管道的安全運(yùn)行。

(3)在管夾設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)吊架的承載情 況和管道服役環(huán)境,對(duì)管夾進(jìn)行強(qiáng)度校核。

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