基于CAESAR Ⅱ的主蒸汽管道应力超标分析与治理.pdf

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1、666化工机械2015正基于CAESAR¨的主蒸汽管道应力超标分析与治理万瑜4邓广发李烨(江苏方天电力技术有限公司)摘要火力发电站在用的主蒸汽管道的规格、材料与设计不符，实际使用管道的重量较原设计大幅降低，导致按原设计要求选用的支吊架栽荷与实际使用管道不相匹配，造成管道一次应力超过材料基本许用应力，具有极大的安全风险：根据相关国家标准，采用整体应力分析软件CAESAR11对该管道进行了静载荷分析，重新设计并选取了适宜的支吊装置，管系最大一次应力下降到基本许用应力的64．6％，提高了管道的安全裕度。关键词主蒸汽管道

2、CAESARll应力分析支吊架中图分类号TQ055．8+l文献标识码A文章编号0254-6094(2015)05-0666-04主蒸汽管道用于将锅炉产生的高温、高压蒸汽输送至汽轮机发电，是火力发电站的核心设备。某火力发电站燃煤机组2号锅炉主蒸汽管道设计压力9．8lMPa，没计温度5400C，设计采用规格为4,273mmx28ram的lOCrM0910材料制成(以下称10CrM0910管)，在运行3万小时后的定期检验中发现管道规格、材料均与设计不符。为确保管道的安全、经济运行，对主蒸汽管道进行了材料复验和应力分析，

3、并据此采取有效措施降低了管道的安全风险。1材料复验在管道每个直段、弯头处选择试验点进行光谱复核。现场光谱检验出的材料成分见表l，其主要合金元素成分与GB5310-2008中12CrlMoVG牌号材料的成分相符。对现场管道进行几何尺寸测量，得到其规格为4,273mmx20ram。材料复验结果表明，现场管道实际采用的材料、规格与设计不相符。2管系应力分析2．1现场设备检查2号锅炉主蒸汽管道连接集汽集箱出口至母表l主蒸汽管道主要合金元素成分材料CrMoVMn现场取样1．030．2820．1970．58】12CrlMoV

4、G0．90一1．20O．23—0．35O．15～O．300．40—0．70管并炉门，该管段共有9个弯头和10只支吊架，其中包括弹簧吊架5只、恒力吊架4只、刚性支架1只(图1)。对支吊架进行现场检查，发现5、6、7}万瑜，男，1985年2月生，工程师。江苏省南京市，211102。图1管系及支吊架简图(艉箪i1∥建端第42卷第5期化工机械667号恒力吊架欠载，全部检查结果见表2。表2支吊架检查结果2．2应力计算理论基础在汽水管道应力分析中，将应力划分为一次应力和二次应力。一次应力是由于内压、管道及附属设备的自重以及外

5、力载荷的作用所产生的应力。一次应力没有自限性，当管道内的塑性区扩展达到极限状态，使之变成几何可变的机构时，即使外力不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏，可见一次应力对管道安全性危害极大。一次应力计算公式为’。：f)D2iM．ot．2≠芬+0·75芾式中D。——管道外径；D；——管道内径；M．——持续载荷作用在管道横截面上的合成力矩；P——介质压力；i——应力增加系数；彤——管道截面抗弯矩。二次应力是由于热胀冷缩、位移受约束以及端点位移等作用所产生的应力，不直接与外力平衡。二次应力具有自限性，一般来说

6、局部屈服或微量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足。因此，二次应力的危害性相对较小，主要引起管道的疲劳破坏：二次应力计算公式为¨‘：：肼矿￡2可式中肘，——热胀引起的合成力矩。2．3应力计算主蒸汽管系是由管道体系(包括管道、管件及阀门等)、支吊体系组成的空间弹性系统。系统载荷主要由支吊架承担。采用管道整体应力分析软件CAESARII对管道一支吊空问弹性系统进行静载荷计算(表3)。分别计算了12CrlMoVG管和10CrM0910管在支吊架载荷下的应力分布情况，SUS、EXP两个工况的计算结果表明，两

7、种材料管道的二次应力均控制在较低水平，但12CrlMoVG管一次应力超过标准许用应力，10CrM0910管一次应力合格。表3一、二次应力计算表从一次应力在整个管系的分布来看，12CrlMoVG管道在(6)号弯头处的一次应力达到75．45kPa，是材料在设计温度条件下基本许用应力的104．8％，是整个管系的最大应力点；而10CrM0910管道的最大一次应力出现在8号弹簧吊架吊点处，仅为基本许用应力的61．5％。计算结果表明，管道支吊架载荷设计与10CrM0910管相匹配，但造成了实际采用的12CrlMoVG管道的一

8、次应力超标。2．4原因分析一次应力是由外部载荷、管道自重(包括保温及内部介质的重量)和内压作用产生的，在本案例中外部载荷及内压均无变化，因此应确定管道自重是否有变化。在12CrlMoVG和668化工机械2015钲lOCrM0910两种管材的密度相差无几的条件下，可以计算出单位长度12CrlMoVG管与10CrM0910管的重量比：警：扛竺型!：垡硼％M，。cr”一·。[‘