基于在役支吊架性能测试的管系应力分析_李烨.pdf

电力科技与环保2022,39(3):270 276Electric Power Technology and Environmental Protection270基于在役支吊架性能测试的管系应力分析基于在役支吊架性能测试的管系应力分析李 烨1，胡 杰1，林正根2，郑相锋1，郎惠珍1(1.国能锅炉压力容器检验有限公司，北京102200；2.国家能源集团科学技术研究院有限公司，江苏 南京210046)摘要：为了研究支吊架性能参数对管系应力的影响，本文以某电厂部分蒸汽管道异常位移问题为研究对象，建立了基于应变测试技术和数字传输技术的一套完整的支吊架性能测试系统，并将所测得的支吊架实际性能输入管系应力计算模型，得到更加接近实际工况的管道位移参数及应力分布；同时还对其中应力较大的部分管件进行三维建模，得到详细的折算应力分布云图。结果表明：所抽检的 4 只恒力支吊架载荷离差值范围为 13.9%至 39.3%，均超过 6%的允许范围；按照恒力支吊架实际载荷进行计算的管系位移与现场检查结果相吻合，证明该批次支吊架性能的劣化是造成管系异常位移的主要原因。此外应力计算结果显示管系的一次应力的峰值部位较设计情况发生了改变。上述基于支吊架性能测试的管系应力分析方法可以对在役支吊架进行定量的恒定度、载荷离差、弹簧刚度等性能测试，继而精准定位管系结构在运行多年后实际的应力峰值部位，所形成的管件三维应力分析结果对金属监督检测具有一定指导作用。关键词：管道支吊架；应变测试；有限元；应力分析中图分类号:TK229.2文章编号:1674-8069(2023)03-270-07文献标识码:BDOI 编号:10.19944/j.eptep.1674-8069.2022.03.013引用本文格式李 烨,胡 杰,林正根,等.基于在役支吊架性能测试的管系应力分析J.电力科技与环保,2023,39(3):270-276.LI Ye,HU Jie,LIN Zhenggen,et al.Stress analysis of piping system based on performance test of in-service support and hangerJ.ElectricPower Technology and Environmental Protection,2023,39(3):270-276.Stress analysis of piping system based on performance test of in-service supportand hangerLI Ye1,HU Jie1,LIN Zhenggen2,ZHENG Xiangfeng1,LANG Huizhen1(1.China Energy Boiler and Pressure Vessel Inspection Company Limited,Beijing 102200,China；2.ChinaEnergy Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.Nanjing 210046,China)Abstract：In order to investigate the influence of performance parameters of support hangers on pipeline stress,this studyfocuses on the abnormal displacement issue in a certain power plants steam pipelines.A complete support hangerperformance testing system is established based on strain testing technology and digital transmission technology.Theactual performance of the measured support hanger is input into the pipe system stress calculation model to obtain pipedisplacement parameters and stress distribution closer to the actual working conditions.Additionally,three-dimensionalmodeling of some of the fittings with higher stresses was also carried out to obtain a detailed cloud map of the commutedstress distribution.The results indicate the load deviation range of the four selected constant force support hangers isbetween 13.9%and 39.3%,all exceeding the allowable range of 6%.The calculated pipeline displacements based on theactual load of the constant force support hangers align with the results of on-site inspections,demonstrating that thedegradation of support hanger performance is the main cause of the abnormal displacement in the pipeline.Furthermore,the stress calculation results show changes in the peak location of primary stress in the pipeline compared to the designsituation.The above-mentioned pipeline stress analysis method based on support hanger performance testing enablesquantitative testing of performance parameters such as stability,load deviation,and spring stiffness for in-service supporthangers.This method accurately identifies the actual peak stress locations in the pipeline structure after years of operation.The three-dimensional stress analysis results of the pipe components have a certain guiding effect on the supervision andinspection of metal structures.Key words:pipe support and hanger,strain test,finite element analysis,stress analysis收稿日期：2023-04-19基金项目：电站汽水管道振动测试及治理方案研究（GJ2022Y02）2023 年李 烨 等：基于在役支吊架性能测试的管系应力分析第 3 期2711引言支吊架装置是锅炉系统的重要组成部分，在机组运行过程中起着承受结构重量、限制结构位移和控制结构振动的重要作用，其性能的好坏、承载是否合理影响火电机组的工作寿命及安全运行1-5。现有的管道结构及支吊架检查主要采用目视加计算的方法，通过核对原始设计文件，计算管系的应力分布，评估管道结构安全。但对于已运行多年的支吊架，计算中仍然选用的是其设计性能，结果难免产生误差1,6-10。管系应力分析的主要计算条件包括管系结构的几何尺寸、材料参数、运行工况和约束条件等，前三者通常为定量，作为管系约束的支吊架性能则会随着运行时间的推移发生一定程度的劣化。本文通过对支吊架性能的在线测试，将测试结果输入管系应力计算模型进行参数修正，使应力分析结果更为贴近实际，达到更精确得评估在役管道安全状况的目的11-13。2试验方法2.1研究对象在对某电厂#3机组管系支吊架进行常规检查时发现，主蒸汽管道、一次热段管道、一次及二次冷段管道在其集箱进出口位置附近均有较明显的异常位移。其主要表现为理论设计中向下位移的管段实际位移值明显小于设计值，局部甚至出现反向位移的情况。图 1 为一次冷段管道位移异常范围。图 1管道异常位移范围示意图Fig.1Range of abnormal displacement of the pipelinediagram经综合研判后，造成该异常的可能原因为锅炉侧的支吊架性能偏差过大。为验证以上判断，需对相关支吊架进行性能测试。目前在役支吊架性能测试的主要原理是通过测试支吊架弹簧在不同行程时的实时载荷间接获得支吊架相关性能，载荷的测试则通过吊杆应变的捕捉而实现13-15。将测试结果输入管系应力计算模型。分析管道实际的应力分布，并对关键管件今后的监督检验提供一定参考意见。2.2在线测试系统构架2.2.1应变传感器选择弓形应变传感器对汽水管道支吊架进行状态监测（如图 2 所示），应变传感器是由弹性元件、传感元件和测量电路等部分组成的用来进行测量的装置，其中传感器的核心元件是电阻应变片。当传感器弹性元件的两端因受力而发生张拉或者压缩时，传感器上的应变片会同步变形，通过应变片阻值的变化使电路中的电荷量发生变化。实际上，应变式传感器的工作原理是基于电阻应变效应16-17。图 2传感器结构示意图Fig.2Sensor structural diagram2.2.2载荷监测系统的构建与现场调试本研究构建的支吊架载荷在线监测系统主要有JM5981A 采集器主机、JM5981_4 应变应力/桥式传感器/热电偶/电阻测点模块、JM5981 电源模块和系统专用软件组成，如图 3 所示。现场传感器安装如图 4 所示。应变传感器获取吊杆表面应变的电信号，传输至现场采集单元进行AD 转换，采集单元将转换后的数字信号传输至远程客户端，供试验人员查看和进行相关分析。2.3支吊架性能在线测试2.3.1支吊架性能要求本次项目所涉及的四条管线位移异常的部分其吊架形式主要为恒力吊架。火力发电厂管道支吊2023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期272架验收规程(DL/T1113-2009)中对恒力吊架载荷性能有相关规定，具体如下：载荷离差不大于 6%。图 3支吊架载荷在线监测系统示意图Fig.3Schematic diagram of the online monitoring systemfor support and hanger loads图 4应变传感器的布置Fig.4Arrangement of strain sensors2.3.2支吊架性能测试：本次测试共选取 4 组吊架，分别为主蒸汽管道#770 恒力吊架，一次热段管道#1130 恒力吊架，二次冷段管道#3590 恒力吊架，一次冷段管道#1240 恒力吊架。测试系统布置方式如图 3 及图 4 所示，对吊杆进行载荷置换，即载荷为 0 时，对传感器数据调 0。重新使吊杆加载，测试全行程范围内的载荷变化趋势。具体测试数据如表 1 至表 4 所示。本次抽查的 4 组恒力吊架的载荷离差均超过6%，其中主蒸汽#770