主蒸汽管道多维蠕变监督对支吊架载荷的反推.doc

主蒸汽管道多维蠕变监督对支吊架载荷的反推高亮刘尚慈杨柯刘宝军王文安李又祥肖德中摘要为了发现并防止因支架工作异常导致管系局部区域应力偏高，提高主蒸汽管道系统的安全性，通过建立多维蠕变变形与管段应力关系，反推支吊架工作状况及载荷。关键词主蒸汽管道；多维蠕变变形；管段应力；支吊架载荷中图分类号TK2841；TG11557文献标识码A文章编号1006-3986（1999）01-0014-04Derivation of the Burden on Support and Hanger withMultidimensional Creep Monitor in Main SteamPipeGAOLiang1，LIUSang-chi2，YANGKe2，LIUBao-jun2；WANGWen-an2LIYou-xiang3，XIAODe-zhong（1.Electric Power Testing & Research Institute of Hubei province,Wuhan 430077,China;2.Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering,Wuhan 430071,China;3.Qingshan Thermal power plant，Wuhan 430081,China)Abstract:In order to discover and prevent the excess stress on local area of the pipe system,due to abnormal working of the support and hanger,the security of main steam pipe can be increased.To establish the relation of multidimensional creep distortion and stress of pipe line,the working condition and burden of the support and hanger can be derivated.Keywords:main steam pipe；multidimensional creep；stress of pipe；force of support and hanger目前，许多国家对主蒸汽管道进行寿命预测时采用蠕变变形量为主要指标。但是这样的蠕变测量仅限于周向蠕变测量，只反映周向应力作用的结果1。实际上，主蒸汽管道在运行时存在三向应力状态：周向应力、轴向应力Z、径向应力r。只有当主蒸汽管道支吊架工作状况符合设计要求时，Zr，即当周向蠕变变形是主要部分时，才可以不考虑轴向应力的作用，只按周向最大相对蠕变变形量进行主蒸汽管的寿命监督和预测。当运行过程中出现支吊架工作状况异常时，会产生较大的轴向应力。轴向应力过大是引起负蠕变现象和焊缝及弯管开裂的主要原因2。显然这种情况下只按周向蠕变变形量进行安全监督和寿命预测就不合适。作者的工作表明，对主蒸汽管道设立联合蠕变测量，监测周向蠕变变形和轴向蠕变变形可以合理地对主蒸汽管进行安全监督和寿命预测3。根据多维蠕变变形理论可以推算有关支吊架工作状况及载荷，发现并防止因支吊架工作异常导致管系局部区域应力偏高。1主蒸汽管道的多维蠕变在一维应力条件下，当温度恒定时，第阶段蠕变速率和应力之间有如下经验公式：4=kn（1）式中k、n试验温度、材料有关的常数。主蒸汽管道在运行时的应力状态为三向应力状态。在内压及持续外载的作用下受到周向应力、轴向应力Z和径向应力r的作用。在三向应力作用下相应产生三向蠕变变形，其蠕变状态为多维蠕变。在多维蠕变变形理论方面存在以下假定：（1）在蠕变变形中没有主应变速度旋转，应力主轴与蠕变应变速度主轴一致；（2）变形微小；（3）材料的体积不随蠕变变形变化，而材料的周向蠕变应变、轴向蠕变应变Z、径向蠕变应变r有以下关系：Zr=C（2）（4）蠕变变形前和变形中，材料各向同性。因此可以推出泊松比=12。通常将一维应力下蠕变中的应力蠕变应变速率关系推广到多维蠕变。三向应力状态的综合作用相当于等效应力e的作用，其蠕变速率为等效蠕变应变速率e，蠕变应变为等效蠕变应变5。对于这方面最常用的有根据YonMises屈服条件的Yon.Mises型公式5。（3）三向应力状态下等效应力与等效蠕变应变速率的关系为5：e=ken（4）2主蒸汽管系支吊架载荷的反推21直管段支吊架载荷的反推借助对主蒸汽管的联合蠕变测量结果，可以在不增加监督设备和额外工作量的情况下实现对支吊架载荷的监督，方法简便易行。基于多维蠕变的理论建立起主蒸汽管系外载荷与蠕变应变之间的关系，而可达到这一目的。主蒸汽管运行时的一次应力主要由承受蒸汽内压力及持续外载的作用而产生。如不考虑热胀应力则主蒸汽管直管段的三维应力为：（5）式中P、rP、ZP分别为直管在承受内压下的周向应力、径向应力和轴向应力，MPa;W、ZW分别为直管在承受持续外载弯矩时的周向应力和轴向应力，MPa；ZbW直管承受持续外载轴向荷载时的轴向应力，MPa。将直管段各应力分量表达式(5)代入式(3)，可得直管段等效应力e为：（6）在主蒸汽管道上设置联合蠕变测点可以测出主蒸汽管道外壁的周向蠕变速率和轴向蠕变应变速率Z。由式(2)可得到径向蠕变应变速率r为r=（Z）在三向蠕变应变速率已知的情况下由式(3)中的第3式可得到等效蠕变应变速率e为（7）将(6)式中的应力值分别取直管外壁处的应力值，由式(7)及式(4)、并取=05可得：（8）式中M管道所受的外载弯矩，N.m；W管子截面抗弯矩，cm2；P管子内压MPa；ZbW直管所受的轴向应力，MPa；管子外内径之比，=DWDn；k、n与温度及材料有关的系数。式(8)可求出直管所受的外载弯矩，其取值的符号(、）由支吊架的布置所决定。22弯管支吊架载荷的反推对于弯管在承受内压及持续外载的作用下，其三向应力为：（9）式中P、ZP分别为承受内压作用下的周向应力、轴向应力，MPa；W弯管不圆度附加应力，MPa；rW、ZW分别为持续外载弯矩作用下的径向应力及持续外载弯矩作用下的轴向应力，MPa；ZhW弯管所受的持续外载轴向应力，MPa。将式(9)代入式(3)可得到弯管的等效应力e：（10）与直管段的分析方法相同，由于弯管外弧侧往往是其薄弱部位，因此取外弧侧的应力分量，此时rW=0，由式(10)及式(7)可得：（11）式中a弯管内弧曲率半径，cm；b弯管外弧曲率半径，cm。其余符号同前。由式(11)可求出弯管所受的外载弯矩。由式(8)及式(11)可得主蒸汽管道在各处的外载弯矩，结合管系支吊架布置情况可以反推出联合蠕变测点所在管段的支吊架受力情况，从而对支吊架工作状况进行有效的监督。3支吊架载荷反推的实例青山电厂6号炉主蒸管道第11号弯管处已安装一组周向蠕变及轴向蠕变测量的联合蠕变测点。主汽管运行温度510、压力98MPa。该弯管材料为10CrMo910钢、规格27320mm，弯管弯曲半径R0=1370m、弯管不圆度=182。管子保温层单位重量245Nm，管子单位重量122294Nm。11号弯管位于水平管段的弹簧支吊架O和N之间(图1)。图1青山电厂11号弯管附近支吊架位置示意图主蒸汽管道运行期间测量了支吊架的实际工作荷重，大修时对11号弯管的联合蠕变测点进行了测量，结果如表1。表1青山电厂11号弯管测量结果弹簧吊架O工作荷重N)弹簧吊架N工作荷重N)弯管外弧周向蠕弯速率mm.mm1.h)弯管外弧轴向蠕弯速率Zmm.mm1.h1300467546122107158107根据有关公式计算了内压作用下的弯管外弧侧周向应力P、轴向应力ZP及径向应力rP、支吊架载荷作用下的持续外载轴向应力ZhW(此处为支吊架处的摩擦力)、弯管不圆度附加应力W，计算结果如表2。 表2青山电厂11号弯管应力计算结果MPa内压周向应力P内压轴向应力ZP内压径向应力rP持续外载轴向应力ZhW不圆度附加应力W592430990029591将弯管的尺寸参数、应力值及蠕变速率代入式(11)可得到关于弯管的外载弯矩的一元二次方程： （12）根据文献6可计算得到10CrMo910钢在510下公式(1)中的k、n值，得k=1141025、n=1024。将k、n值代入式(12)可得：根据支吊架实测工作荷重可计算11号弯的外载弯矩为：支吊架O的反力沿X坐标轴作用在弯管上产生持续外载力矩Mx：Mx=F0lql22122294245）1952=22568（N.m）支吊架N的反力沿Z坐标轴作用在弯管上产生的持续外载力矩MZ：MZ=FNlql22=754631505（122294245）3152=16487（N.m）支吊架O、N对弯管的力矩分别作用在不同平面上，此时外载力矩按当量力矩M计算：（13）式中Mx、My、Mz计算管系沿系坐标轴x、y、z的持外载力矩，N.m。支吊架O、N对11号弯管的当量力矩为：当量力矩值与按方程式(12)解出结果相近。计算结果表明，可以通过多维蠕变监督来推算支吊架荷载的情况。作者单位：高亮（湖北省电力试验研究所，湖北武汉430077）刘尚慈杨柯刘宝军王文安(武汉水利电力大学，湖北武汉430071）李又祥肖德中（湖北青山热电厂，湖北武汉430081）参考文献1方英鹤关于主蒸汽管道蠕变测量方法的