基于CAESARⅡ的主蒸汽管道应力超标分析与治理

2015-01-13邓广发

化工机械 2015年5期

万瑜邓广发李烨

(江苏方天电力技术有限公司)

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9.81MPa，设计温度540℃，设计采用规格为φ273 mm×28mm的10CrMo910材料制成(以下称10CrMo910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，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1，其主要合金元素成分与GB5310- 2008中12Cr1MoVG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φ273 mm×20mm。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

表1 主蒸汽管道主要合金元素成分

2号锅炉主蒸汽管道连接集汽集箱出口至母管并炉门，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、号恒力吊架欠载，全部检查结果见表2。7

图1 管系及支吊架简图

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[1]：

式中Do——管道外径；

Di——管道内径；

MA——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；

W——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[1]：

式中Mc——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CAESAR II对管道-支吊空间弹性系统进行静载荷计算(表3)。分别计算了12Cr1MoVG管和10CrMo910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，两种材料管道的二次应力均控制在较低水平，但12Cr1MoVG管一次应力超过标准许用应力，10CrMo910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，12Cr1MoVG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10CrMo910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10CrMo910管相匹配，但造成了实际采用的12Cr1MoVG管道的一次应力超标。

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12Cr1MoVG和10CrMo910两种管材的密度相差无几的条件下，可以计算出单位长度12Cr1MoVG管与10CrMo910管的重量比：

式中Di1——10CrMo910管道内径，Di1=245mm；

Di2——12Cr1MoVG管道内径，Di2=253mm；

Do——管道外径，Do=273mm。

计算显示，实际使用12Cr1MoVG单位长度的重量仅占原设计10CrMo910管重量的72%，重量改变达到28%。如此大的管道自重变化，造成了实际使用的12Cr1MoVG管与按原10CrMo910管重量设计的支吊架载荷不匹配，最终导致了(6)号弯头处的应力超过材料基本许用应力。

由于材料基本许用应力的选取是由材料抗拉强度、屈服点以及高温持久强度等多个力学指标配以安全系数选取，所以虽然一次应力超过标准许用应力，但未造成管道的实际爆破。由于主蒸汽管道在高温、高压及交变载荷作用下运行，因此管材性能是逐步下降的，同时考虑到其他不可控因素对管道安全运行的影响，超过材料许用应力的在用管道具有极大的安全风险。

2.5解决方案

根据DL/T 5366- 2006和DL/T 616- 2006的要求以及降低安全风险的实际需要，应对管系重新进行载荷计算，对不匹配的支吊架进行更换[2]。

针对管道-支吊架空间弹性体系，以管道及支吊架的实际状态为基础，根据管道实际布置、管道及保温实际重量、各支吊架实际载荷进行计算，在充分考虑原始设计的基础上，着重考察管道及支吊架的强度满足要求[3]。

较低的二次应力水平，说明管道具有优良的柔性设计，因此管系的配管走向无需改动。为降低管系的一次应力，可以从外部载荷和管道自重入手(内压由工艺设计确定，不可更变)。考虑到将实际使用的12Cr1MoVG管材全部更换所需的成本、供货周期和安装工程量。决定从支吊架载荷入手，根据现场支吊架受力状态和CAESARⅡ多次静载荷试算的结果，调整了4、5、7号吊架的载荷，并据此进行支吊架的重新选型和更换，在保持了低水平二次应力的前提下，实现了管道载荷的合理分配，将一次应力降低到安全范围内(表4)。