（固体力学专业论文）125MW汽轮机高导管焊区早期失效的力学分析.pdf

浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 摘要 本文依托火电工业中的1 2 5 m w 汽轮机高温导气管进旦煜匡早期失效机 理诊断的科研背景，采用固体力学中特殊条件实验技术与有限元计算相结合 的途径，进行了结构失效机理的力学分析。 通过结构装配应力测试与机组从点火到满负荷运行的温度、应变现场试 验，得到高导管进口焊区在变温变荷工况中的应力变化规律，从应力角度为 埕匿叁垫坌堑提供依据，并为计算分析提供了必要的参数a 通过独立进行的 模型建立与网格划分，计算得到了结构多工况下的应力场。 本文以应力分析为核心，综合采用了实验与计算技术的研究方法，为高 温承压部件的墼堕丝堑和延寿技术研究技术提供了有效的探索途径。 舞甄；臻茧i 塑望奎兰堡主兰堡垒苎! ! ! ! ! ! a b s t r a c t a i m e da tt h ee a r l yf a i l u r eo f12 5 m ws t r e a mt u r b i n e sh i g h t e m p e r a t u r e g a s g u i d et u b e ，t h em e t h o dt h a tc o m b i n e de x p e r i m e n ta n d c a l c u l a t i o nw a su s e d a n dt h em e c h a n i c a la n a l y s i so ff a i l u r ew a sa c h i e v e da tt h i sp a p e r t h es t r a i na n d t e m p e r a t u r ef i e l d t e s tw a sc a r r i e do u td u r i n gs t a r t u po f t h e b o i l e r t h er u l eo ft h e h i g h - t e m p e r a t u r eg a s g u i d e s s t r e s sa n ds t r a i nw a s o b t a i n e d ，a n dp a r a m e t e r st h a tw e r en e c e s s a r yf o rt h ec a l c u l a t i o nw e r eo b t a i n e d t o o t h es t r u c t u r a lf e mm o d e lw a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ef e mc a l c u l a t i o n t h a t e x p o s e d t h es t r e s sf i e l do fs t r u c t u r e ，t h er e a s o no fh i g h t e m p e r a t u r e g a s g u i d et u b e 。sf a i l u r ew a sp u t f o r w a r d 氇巍。融沌； 3 第一章绪论 1 1 引言 大中型火电机组的安全、经济运行对国民经济的发展具有重要意义。其 中的高温承压部件长期工作于相当恶劣的运行环境，再加上结构复杂，目前 的生产水平尚难以达到“等强度”优化设计，在结构中存在不少故障易发部 位。 1 2 5 m w 汽轮机自6 0 年中期殳产以来，至今在国内己投运1 2 0 多台，在 我省的同类型现役汽轮机共有2 6 台。最近几年，萧山、长兴发电厂1 2 5 m w 汽轮机高压导汽管与进气短管联接焊缝处接连出现早期开裂，导致蒸汽泄漏 停机抢修。其中，萧山发电厂l 、2 号机高导管焊口已累计开裂了7 次之多。 调研表明，近年来1 2 5 m w 汽轮机高导管早期失效在省孙其它电厂( 如广东 云浮电厂等) 也屡次发生。因此，这种故障在国产1 2 5 m w 机组中已具有相 当的普遍性，已成为影响机组正常运行的重大事故隐患之一。 随着国产1 2 5 m w 机组服役年龄的增加，以及电网迅速扩容要求1 2 5 m w 机组越来越多地参与调峰运行，高导管焊区作为系统的薄弱部位之一出现的 运行失效将具有必然性和多发性，探明其早期失效机理，为制定预防延寿方 案提供科学依据，将具有重大的经济技术意义。 1 2 1 2 5 m w 汽轮机高导管失效研究概述 1 2 5 m w 汽轮机高导管与进气短管联接焊缝处的早期开裂，既有和火电 系统一般高温承压部件破坏相同的特征，又有因结构和安装工艺导致的特殊 性。大致上可归纳为如下三个方面f l - 5 1 ： 菠巍琏 4 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 1 结构因素：主要指管系设计布置力学上可能存在地不尽优化，管道联接 位几何不连续引起应力集中，以及高温、变温运行下复杂结构的拘束应 力和内压应力变化等。 2 材料因素：即高应力区材料组织的原始缺陷、高温低周疲劳损伤以及蠕 变引起的性能劣化。另外，由于失效常发生在焊接区，和焊接工艺直接 相关的焊接强度及残余应力必须引起重视。 3 环境因素：机组运行中的高温环境，尤其是调峰工况中频繁的启动、停 机与变荷形成的变温环境，使材料的工作条件更趋恶劣。 从中可以看出，运行时的应力水平及其空间、时间变化规律，将是在热 环境和用材确定条件下影响部件使用寿命的关键参数。 在调研和文献检索中，发现了一些值得思考的现象：其一是大量的研究 工作集中在材料高温下的细观材质行为和宏观断口分析上，而与结构设计、 运行时受力的承载相应直接相关的应力水平量化分析研究却相当薄弱，这应 是高导管失效机理研究未能深入进行的重要原因之一。其二，锅炉管失效问 题有一个非常普遍的特点，就是重复性故障的发生，即在相同的管子，相同 的材料或相同的部位重复发生失效现象。这说明，对高导管失效机理的研究 还不完善，在很多问题上，故障诊断没有触及根本，相应的改进措施可能缺 少针对性，于是相同的问题在相同的地方出现了。 本论文的工作着眼于结构应力水平与随运行工况变化规律的研究，有关 材料性能、残余应力影响等将通过其它途径进行，进而可探索寿命评估和延 寿技术的研究和应用，由于不是本文的研究范围，所以不会展开论述。 1 3 金属疲劳损伤特性的研究 工程材料和构件在使用过程中，在受到交变应力的重复作用下，即使应 力幅值未超过材料的屈服极限也会发生破坏【6 8 1 。在循环载荷作用下，构件 表卣或内部的某些微观缺陷因应力集中演变为微裂纹。微裂纹的出现减小了 构件的有效承载面，提高了应力水平。而裂纹尖端处又会形成新的应力集中 区，在后续的长期受载历程中，微裂纹将逐步扩展形成宏观裂纹，最终导致 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 疲劳破坏。 1 3 1 疲劳累计损伤理论 疲劳损伤是指材料在循环载荷作用下，微观裂纹不断扩展和深化，从而 使构件的有效工作面不断减少的程度。损伤度d 的量化描述主要有以下几 种： 通过疲劳极限的变化表示损伤度： d ：粤( 1 3 1 ) s i 、。 其中s + 。为对称循环中试件原有的疲劳极限，s ：表示经过预应力处理后 最终的疲劳极限。 通过后一应力上寿命的相对变化表示损伤度： d ：兰 ( 1 3 2 ) n k 、。 其中仇为试件在应力q 作用下循环”周后再在应力嚷下循环至破坏的 周次，。为原始试件相对于应力吒下的常应力寿命。 用裂纹长度表示损伤度： d ：生 上。 ( 1 3 3 ) 其中l 。为循环n 周后的裂纹长度，“为循环至最后破坏的裂纹长度。 对于材料的疲劳累积损伤规律，人们从宏观到微观进行了大量的研究， 提出了几十种累计损伤理论。其中最早提出且目前仍然采用的是线性累积损 伤理论。 1 3 2 低周疲劳和热疲劳 1 低周疲劳 按疲劳破坏的循环数n 的大小，疲劳可分为高周疲劳( i o s ) 和低周 6 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 疲劳( n 1 0 5 ) 。对于高周疲劳问题，构件所受的应力水平一般较低，材料 是在弹性范围内工作。而低周疲劳问题，构件所受的应力水平比较高，应力 幅值一般度超过比例极限，每一循环都可能产生相当大的塑性变形。低周疲 劳通常发生在结构的应力集中部位。 2 热疲劳9 。2 1 l 热疲劳是构件在交变的热应力作用下引起的疲劳破坏，其中热应力可由 构件内部因温度分布不均匀或组成构件不同材料的线膨胀系数的差异，引起 结构热变形不畅所引起；也可因外部约束引起构件自由膨胀或收缩受阻造 成。热疲劳均产生于高温、变温环境，在此环境下，材料的物理性能将有很 大的变化，因此热疲劳问题除服从一般的疲劳规律外，还有其自身的特殊性。 1 3 4 管道疲劳强度计算方法 先行火力发电厂汽水管道应力计算技术规定中所采用的交变载荷的 计算方法是以美国管道事业公司m a r k l 对a 1 0 6 b 普通钢材所作的弯曲疲劳 试验为基础的，即： 盯。= 2 4 0 r n “2 ( 1 3 4 ) 式中：盯。一平均疲劳强度( 即交变载荷) ； 仃。一钢材抗拉强度： 一破坏前的循环次数。 1 4 结构受力分析 1 4 1 自重 对于高导管结构，由于自身存在密度，高导管根部与法兰固接，结构受 重力的影响变形，结构必然产生应力。但是高导管在重力作用下的变形非常 小，其产生的应力跟结构由于热变形和内压变形产生的应力比较起来微乎其 微，所以分析时我们可以忽略结构重力对于结构应力的影响。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 1 4 2 热载荷 在结构温度的变化过程中，高导管的温度来自管内蒸汽的热传导、热对 流，导管的温度直接受蒸汽温度变化的影响。由于蒸汽温度的变化速率缓慢， 对于高导管管壁厚仅仅2 9 m m ，而且考虑到导管外包裹着近4 0 m m 的保温层， 所以近似认为高导管沿径向温度相等，并且高导管温度等于管内蒸汽温度。 高导管由于温度变化产生的热膨胀可以分为径向膨胀及其纵向的膨胀 两部分。由于高导管由联结管道1 2 c r l m o v 钢管与进气短管1 5 c r l m o l v 锻件 组成，两个部件的线膨胀系数以及弹性模量都存在不同的差异，在结构温度 变化时，由于两部件的热胀存在差异，必然在焊接部位产生切向应力。 1 4 3 内压 对于内半径为a ，外半径为b 的厚壁圆筒，在内表面受内压p ，在外表 面受外压p ：，可以得到如下一组应力分量、应变分量、及其位移分量公式1 3 8 。 以：塑霉譬掣三+ 亟埤( 1 4 1 ) 。 b 2 一a 2，2 。b 2 一a 2 7 旷一掣吉+ 每挚 ( 1 4 2 ) 铲扣训掣专棚刊特，a 。， 铲扣训芝掣专州刊特，a a ， “= 去卜( 1 + ) ! 糌吾+ ( 1 一) 学r 】( 1 4 5 ) 结构运行时，管内蒸汽对高导管产生一定的压强，管道内壁承受的压力 均匀分布，内压强为p ，外压强为o 。得到如下一组应力分量、应变分量、 及其位移分量公式。 仃，：一篓去+ 啬：尝( 1 一要) ( 1 j ) 仃r2 一丽7 + 丽。丽【l 一7 j 4 6 ， 囊! 魏斌氮i 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) ( 1 4 7 ) 铲扣训筹吉州刊啬， a s ， 铲扣训筹专+ o 刊啬， a 。， “= 扣训筹如刊啬一 高导管结构在受到内压的情况下，因为结构两种材料的弹性模量e 存在 差异，在相同的内压p 作用下，所以也存在着在焊接区的切向应力问题。 1 4 3 结构装配应力 高压导汽管在安装时，考虑到汽轮机壳体的热膨胀因素，安装规范中有 高导管的一道冷紧工艺。由于此冷紧值的存在，势必在管道上形成预应力， 机组运行时，和内压应力，结构热应力迭加构成复杂的应力场。 当然，对于具体焊接区的应力，焊接残余应力的有害迭加也不容忽视。 1 5 高温应变测量技术 工程中的许多构件工作于高温环境下，如发电厂的锅炉、高温过热器、 再热器、高温导气管等等。这些构件由于工作于工作环境的恶劣，是运行早 期失效故障的易发部位。为保证结构的安全和经济运行，进行失效机理分析 和故障诊断，从而研究制定延寿技术的措施具有十分重要的意义。 由于实际工程中的构件结构往往很复杂，简化的初步计算难以真是揭示 其规律，因此，常常采用实验的方法或实验与计算相互结合的方法来求得构 件的应力分布。高温下，常规的应变和位移检测元件难以承受高温或者不能 保证高温测量数据的可靠性，因此需要高品质的专用器械和精湛的专门技 术。 9 矿7寿啬 ，筹 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 1 5 1 测量特点 本实验大部分工作是在高温( 5 5 0 0 c ) 环境下进行的，所以和常温条件 下电阻应变测量比较，有以下几个特点： 1 需用专门的电阻应变仪 常温电阻应变计一般只适用于一3 0 到6 0o c 。在高温下测试需要采用特 殊的材料和工艺制造的高温应变计，理想的高温应变计应具有良好的温度自 补偿功能，即在使用温度范围内因温度变化而产生的非机械力变形性的电阻 变化输出量( 也称热输出) 应该比较小。 由于应变计所用材料性能的限制，在更高的温度环境下，需要有适用于 工作温度范围的应变计，这些应变计通常具有温度自补偿的功能，他们在使 用温度范围内的热输出应比较小。 除了对热输出的要求外，这些应变计的灵敏系数随温度的变化要小，并 且稳定：应具有较高的绝缘电阻和应变极限；用于长时间测量的应变计，还 应具有较小的零漂和蠕变。 这样对其材料和制作工艺提出了很高的要求，常采用康铜、卡玛合金、 铂和铂依合金等贵金属用作敏感栅，用单丝温度自补偿、半桥温度自补偿等 方法尽量减少热输出量。 2 特殊的应变计安装方法； 高温环境中使用的应变计，比常温应变计的安装方法更复杂，甚至很特 殊。这些应变计包括有粘贴式、焊接式，临时基底等多种形式。粘贴式和焊 接式两种，前者有专门研制的高温粘接剂粘固于测试结构，后者用金属基底， 以精细的点焊固定传递应变。 3 特殊的测量导线； 用于高温环境应变测量的导线，要具有较小的电阻率和电阻温度系数 1 0 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 在其整个工作温度范围内导线之间应保证足够底绝缘电阻，测量导线与应变 计引线的连接已不能再用锡焊，应采用钎焊、点焊或熔焊等方法。 4 应同时测量温度分布： 结构构件上的温度分布往往很不均匀，并随时间变化。必须在测量应变 的同时，准确地测量测点的温度变化，以便于应变计热输出、灵敏系数特性 的修正。也可以运用实测的温度参数提高理论计算结果的精度。 5 坝0 量数据的处理。 如上所述，高温环境应变测量的影响因素要复杂的多，不仅要对导线电 阻、平均热输出、灵敏系数随温度变化等多种系统误差进行修正，还应分析 许多随机误差的影响。 1 5 2 应变计的热输出和灵敏系数变化 1 热输出 当电阻应变计安装在无外力作用、无约束的构件表面上时，其电阻随温 度变化的现象，称为温度效应。通常把该电阻相对变化所对应的应变量称为 热输出。 其原理为： 2 玄q r + ( 以一以) r ( 1 5 1 ) 式中：口，一敏感栅材料的电阻温度系数； 尼一敏感栅材料的线膨胀系数： 展一构件材料的线膨胀系数； a t 一温度变化量； s ，一热输出应变。 蕊蘸麓臻。j 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 2 应变计的热输出标定 高温电阻应变计热输出一般是通过实验测定的，方法如下： 1 ) 对于同批次的一组应变计随机抽样，粘贴或焊接在与被测构件相同的 材料表面，在与构件温度变化范围大致相同的环境下，测得应变计的 热输出( ，) 。可直接用于实测时的热输出修正。 2 ) 将应变计粘贴或焊接在选定的某种标准材料表面，这种标准材料在一 定的温度变化内其线膨胀系数，是已知的，由公式( 1 4 1 ) ，假定被 测构件的线膨胀系数为厦，测得热输出( ) ，则构件在温度r 时的 实际热输出6 t + 为： +；i1ct 口，+ ( 屈一麒) 丁 。孓q r + e p g ) l ? = i 1 口，+ ( 屈一版) r + ( 版一以) 丁 = q + ( 敝一续) r ( 1 5 2 ) 3 减少应变计热输出影响的方法 a ) 修正系数法； 将应变计在非常温下测得的指示应变( 日) ，用事先在与构件相同材料 上、相同或者接近的温度条件下检定得到的、同批应变计在相同温度丁下 得到的( t ) ，进行修正，求得试件的真实应变s ，即： 占= ( q ) r 一( ) r ( 1 5 3 ) 这种方法要求在被测构件应变测点安装热电偶，同步准确测得该部 位的表面温度。 b ) 线路补偿法： ， 这种方法是基于电桥电路的特点，将两个分别贴在相同材料上、处 于相同温度条件的同批应变计，连接在电桥电路的相邻两个桥臂上。当 温度变化时，两个应变计的热输出因符号相反而得以互补。 在实际测量中，通常将与测量中应变计相同的补偿应变计安装在厚 度约2 m m 、无约束、与构件材料相同的补偿试块上。补偿块置于试件上 ，j 羹赫赫藩f j 1 2 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 安装工作应变计的部位旁，使两者的温度场保持一致。只需将补偿应变 计和工作应变计接到测量电桥的领臂。这样就能达到热输出补偿的效 果。 实测时，往往将上述两种方法结合起来，可得到热输出补偿的较好 效果。 4 环境温度对灵敏系数的影响 电阻应变计在常温( 一3 0 + 6 0 0 c ) 下工作，由于其材料性能在此温度 范围内几乎不变，因此，温度变化对应变计的工作特性影响主要反映在热输 出上。但是随着环境温度的升高( 或降低) ，敏感栅材料的灵敏系数将发生 变化，基底和粘接剂的弹性模量、泊松比的变化也不可忽视。从而使应变计 的灵敏系数也随之变化。 对于大多数材料，环境温度高于常温时，应变计的灵敏系数随温度增加 而减小；低于常温时，灵敏系数随温度下降而增大。因此在高温测量时，也 必须进行应变计的灵敏系数的标定和修正。 1 5 3 导线电阻的影响 在高温测量中，一般需采用具有良好耐热性能及其具有电阻热稳定性的 高温专用导线，将信号从热区引出：此外，现场条件下接往一起的信号线也 有相当长度【2 2 1 。 参考文献高温应变电测的特殊技术研究。我们必须重视由导线电阻 引起的两个问题。 1 ) 导线电阻对应变信号的衰减作用； 一般认为，只要导线电阻不列入桥臂中，其对电桥灵敏度的衰减是 不明显的。文献中为了具体分析，在实验中采用全桥接法。专门进行了 长导线影响的标定性测试。 结论为：1 、长导线电阻对占。的影响呈现准线性，当单根导线电阻 达到几欧姆以上时，必须进行修正；2 、电桥输出段导线电阻对应变仪 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 的读书不敏感，这是典型的调压桥特征( 发大器输入阻抗极大) 。 所以，实测时，输出端的导线电阻对测量结果的影响可忽略不计， 电路分析时可作开路处理，但是输入端的导线阻值，由于衰减了供桥电 压，使灵敏系数下降，必须进行修正。 2 ) 导线热输出对测量数据的影响。 导线电阻温度变化而产生的影响，虽然也可以象应变计热输出那样， 通过事先或者事后的标定加以修正。但是在许多场合下难以准确的模拟 出导线所要经历的温度变化状态，无法保证导线热输出的标定精度。所 以，在非定常温度条件下的应变测量，常常采用三线连接法来消除其热 输出的影响。 对于应变计工作臂( 即平衡臂) 中的导线电阻相等，并且处于同样 的温度变化状态之中，所产生的电阻变化因处相邻桥臂而相互抵消，起 到温度白补偿作用。 采用三线法接法后，测量仪器有两种接法，半桥和全桥。对前者， 三支高温导线从热区引到常温区，常温区用普通屏蔽导线，接入测量仪 器。 由推导得出的公式： 占。( 1 + 素) ( 1 5 4 ) 对于接入桥臂的高温导线，采用三线接法，其阻值随温度变化对测 量结果的影响很小。 对于三线法的全桥接法，所得结果类似半桥接法，其阻值随温度变 化对测量结果的影响也很小。 1 5 4 数据处理及误差分析 1 导线电阻修正 在高温环境中的应变测量，用作导线的耐高温合金材料，电阻率也比较 高，即使导线不是很长，其电阻值的影响亦不可忽略。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 2 热输出的修正 按照在构件单实际标定的热输出曲线，用测点实际温度下的热输出值， 对应变读数进行修正。 标定热输出时，若包括了导线的影响，那么实测时的导线接法及温度场 的变化状态应与标定时相同，并且要先修正热输出，然后再进行导线电阻修 下。 3 灵敏系数的修正 由于应变计灵敏系数随温度的变化，而一起的灵敏系数为一定值，意绪 按照测点的实际温度进行灵敏系数修正。 另外在快速升温条件下的应变测量还需要考虑到对高温应变计本身、瞬 时热输出标定、快速升温应变测量的加热系统、数据采集与处理等多方面因 素。 1 6 论文的研究目标和主要工作 本文针对目前普遍存在于1 2 5 m w 汽轮机高导管与进气短管联接焊缝处 的早期开裂失效故障，比较系统的进行了力学机理方面的诊断研究。通过试 验与数值计算相结合的方法，从实验数据和计算结果两方面揭示了高导管和 进气短管的应力分布规律。 经过课题调研和论证，论文主要进行以下工作： 1 理论分析了高温应变电测的技术及其方法，实验数据的处理方法，及其 结构实际受力状况，为实际测试与计算提供了初步理论依据。 2 在萧山发电厂1 2 5 m w 机组小修期间，通过在焊接区的粘贴应变花测定 拆卸导气管法兰时的装配应力释放规律，从而分析结构装配应力的影响。 3 在最近的大修期进行了汽轮机组启动、变荷和稳定运行工况下高导管危 险区的应力变化测试以及载荷谱分析。获得高导管进气焊区在机组点火 启动、调试变荷到满负荷并网的应力一一时程曲线与相应部位的温度变 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 化规律，为分析焊区应力水平和温度状态提供了宝贵的实测数据，同时 使后续数值计算中的力学条件得以确定。 4 应用n a s t r a n 大型有限元软件，进行有限元热应力计算，获得了分析 区域的全场应力分布。计算时采用局部网格细分技术，得到了与实测部 位焊接区域的应力水平数据。为故障诊断及多工况对比分析提供了量化 依据。 5 结合疲劳损伤理论，在实测和计算基石h 上进行综合分析，形成了从力学 角度的失效机理诊断，为进一步研究完成了有意义的工作。 ：穗魏羲：澈；： 1 6 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 第二章高导管结构装配应力测试 2 i 引言 萧山火力发电厂14 机2 号高导管，于1 9 9 5 年1 0 月发现焊口开裂。经 补焊处理后投运。1 9 9 5 年1 i 月、1 9 9 8 年5 月又相继在补焊处开裂。会同浙 江省电力试验研究所金属室，我们初步分析了1 9 9 8 年5 月换下焊接区和断 口，发现裂纹在焊缝热影响区起源并向母材扩展，有明显的应力损坏特征。 高压导汽管在安装时，考虑到汽轮机壳体的热膨胀，各管道均有一个冷紧工 艺，其具体值由设计提供。由于此冷紧值的存在，势必在管道上形成预应力， 机组运行时，和内压应力，结构热应力迭加构成复杂的应力场。此次检测的 目的是通过在焊接区的粘贴应变花测定拆卸导汽管法兰时的装配应力的释 放规律。 2 2 测试方法 在测试高导管结构装配应力过程中，汽轮机已经停机多天，其结构温度 降到处于相对稳定的状态，所以在本文对于高导管结构装配应力选择常温应 变电测技术对结构进行现场应变测试。在4 8 小时测试过程中，管表面温度 保持在摄氏5 0 5 8 度之间，采用常温应变电测是可以胜任的。 2 2 1 测点设置 高导管裂纹在焊缝热影响区起源并向母材扩展，所以在管的进汽连接管 焊缝过渡区布置4 片应变花，相隔9 0 。粘贴f 3 0 1 。 ；i 囊鏖翘逮躺； 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 2 2 2 测试系统、3 2 】 图2 2 1 高导管贴片示意图 1 、采用b x l 2 0 - 3 c a 应变花，灵敏系数为1 9 8 l 。 2 、用便携式激光温度测量仪近距离照射测定管壁温度。 3 、应变记录选用日本产t d s 一3 0 3 自动数据采集仪，它具有3 0 口同部采集 功能，满足了本次2 4 块应变信号的同步记录。 2 2 3 桥路连接 1 、应变花计算公式 2 3 , 2 4 , 3 3 - 3 6 】 对于主应力方向为未知拘平面应力状态测点，必须布置三个不同方向的 应变计或采用具有三个敏感栅的多轴应变计一一应变花。如图所示，延任意 三个方向岛，吼和岛粘贴三个应变计，测出三个应变屯，根据应变状 态理论有下式： 铲半+ 孚c o s z b + 丁y x y 咖z 口 由乃 别为】，2 ，3 的三个公式可解出三个未知量t 、0 、，再由它 们计算出主应变q 、s 2 和主方向与x 轴夹角妒： 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 钆= 孚毛厄习可 ( 2 z z ) 妒：三增一t l( 2 2 3 ) 2 。一。 材料在弹性范围内，如主应力q 、盯：方向l 、2 为已知，则由1 、2 方 向测出的主应变占。、占：，可按t y 0 虎克定律公式计算主应力： o 1 ：占( q + 蚓 2 = 了( q + 肛z ) 盯2 ：再e ( 2 + 肛1 ) 盯2 2 f 丁【。z + 肛) 易 粳全 图2 2 2 主方向未知时应变计粘贴 本次测试中采用三轴等角4 5 0 应变花。其计算公式如下 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 铲学圭瓜乏再瓦丽 ( 2 z ) 咿导【三乎击瓜i _ i 再厕 ( 2 z s ) 1 d 2 s t g r 2 e 4 s 一占。一 l 氏一 ( 2 2 9 ) 1 9 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 图2 2 3 选用应变花粘贴角度示意图 2 、桥路连接 本文中应变计的桥路连接采用常规的“三线法半桥接法。2 4 块应变 片共用一块温度补偿片。 2 2 4 数据处理 图2 2 4 三线法半桥连接图 1 2 5 m w 汽轮机高导管由1 2 c r l m o v 材料和1 5 c r l m o l v 材料构成，使用 r 3 l 7 l 电焊条焊接，失效处的材料常熟用1 2 c r l m o v 钢参数。 常温下1 2 c r l m o v 钢的物理性能参数： 弹性模量：e = 2 1 3 g p a 泊松比：“= o 2 8 应用公式( 2 2 7 ) 一( 2 2 9 ) ，计算出毛：( ，侣) 、( o ( r a d ) 、q2 ( m p a ) 。其结 果列于表2 2 1 中。 基糕囊麓i 。“ 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 表2 2 1 实测高导管应变( 应力) 数据表 1 1 右前左后 号 2 0 1 71 0 5 83 5 一2 6 e 1 2 ( p s ) 1 3 6 一2 2 高 4 0 ( r a d ) 一0 0 9- 0 6 30 2 6一o 0 3 导 管 盯”( m p a ) 2 9 8 6 3 7 056 9 5 2 02 4 6 7 8 6 06 3 8 一3 7 3 右朗左后 号 q 2 ( ，旧) 2 5 7 一9 1 5 一8 8 2 5 - - 2 3 94 2 一4 8 高 q d ( r a d ) 0 0 3o 6 6o 1 40 4 6 导 管 t 7 m ( m p a ) 5 8 5 3 1 4 4 8- 2 2 2 - 1 9 7 42 11 4 - 2 6 5 86 5 7 - 8 3 4 g b 5 3 t o 一8 5 g b 3 0 7 7 8 8 技术条件下，1 2 c r i m o v 钢的常温屈服极限以及强 度极限参数如下： 表2 2 21 2 c r l m o v 钢常温力学性能1 3 7 牌号技术条件试验尺寸，m m仃，m p a盯6 ，m p a 1 2 c r l m o vg b 5 3 1 0 一8 5纵向 2 5 54 7 1 6 3 8 横向 2 5 54 9 0 g b 5 0 7 7 8 83 0 2 4 54 9 0 2 2 5 结果及其分析 为了测得i i 、两根高导管的装配应力，拆除法兰螺栓后，i i 号高导管 法兰向上位移达1 5 m m ，向j l , 坝j j 位移为4 m m 。i v 号高导管法兰向上位移2 2 m m ， 4 5 度斜外侧位移6 m m 。 测得的高导管最大正应力为5 8 5 3 m p a ，远小于1 2 c r l m o v 钢常温下的 屈服极限和强度极限。 可以认为装配应力对管焊区断裂失效的影响是非实质性的，需要从高导 蠹糕懑 2 1 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 管在高温运行状态下它的应力特点来找出结构失效的原因。尽管如此，本实 验环节的作用还是相当必要的，因为进一步的计算和分析中，使我们可不受 装配应力是否是重要迭加因素的困扰，使研究分析遵循科学的途径。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 第三章高导管运行温度、应变实测与分析 汽轮机高温导气管长期处于高温、变温和内压等复杂载荷条件下工作， 除了在设计制造中注重能适应相应温度条件的热强钢外，在运行期现场测定 分析部位的应力伴随着汽轮机负载变化( 伴随的将是压力、温度变化) ，将 是实施综合强度和失效评估的宝贵资料。 大量的文献调研和我们的前期工作表明，国内外至今解决高温条件下原 型试验的技术以电阻应变测量最为可靠，然而基于测量环境的特殊性，对试 验器件和测量技术提出了相当高的要求，这个领域的研究是现代试验技术的 热点问题之一，因为其发展水平和电力、化工、航空航天、军工等众多产业 领域的进步有密切的联系，在应用中展开实验方法的研究，具有重要的学术 意义。 3 1 高温现场应力测量的技术难点 3 1 1 专门的电阻应变测量系统 高导管区设计温度为5 5 0 0 c ，一般的应变计均不能胜任工作。必须采用 具有温度自补偿功能的专门高温应变计，以减少其热输出，其工作温度应不 小于6 0 0 0 c ，高温下测量数据的漂移必须满足相应的精度要求。 从温度范围以及测量材料角度看，金属基地的焊接式高温计将比较使 用。高温区段的信号电缆除了温度要求外，小的电阻率和电阻温度系数将是 必要条件。 蠡瓣； ；：淤。i j 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 3 1 2 实时记录测点位的温度 非常温环境测量对象的温度往往和部位、时间相关，必须在测量应变量 时准确记录各测点的实时温度变化，以便应用于输出应变得热输出修正、灵 敏系数修正等。同时改温度值将是应用于结构应力计算以及计算结果检验的 重要参数。 3 1 3 数据后处理问题 主要有导线电阻、热输出、灵敏系数随温度变化等多种系统误差的修正， 同时在应变一应力转换中不可忽视温度对材料弹性常数的影响。 3 2 1 测点布置 3 9 、4 0 】 3 2 测试方案 在高温应变测试前期，对每根高导管的里外测轴线走向焊接a w 一8 型 焊接式应变计，如图3 2 1 所示。 图3 2 1 应变、温度测点布置示意图 ，露墓热撼蠢 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 图3 2 1 中是高导管根部温度测点，设于相应高温应变片的邻位。基 于前述分析，我们把相应测点设置于1 2 c r l m o v 管和锻钢1 5 c r l m o l v 进汽短 管焊缝过渡区上，沿轴向安装，同时也接入机组原配置的集控热电偶，信号 测得的是管内流动蒸汽的温度，以供分析( 表3 2 1 ) 。 表3 2 1 元器件应变计 测件序号 1 2 3 45 6 78 采集仪通道 c h o oc h 0 1c h 0 3 c h 0 4 c h 0 7 c h l 0 c h 0 9 c h 0 6 元器件热点偶 测件序号 采集仪通道 c h 0 5c h 0 2c h l lc h 0 8c h l 3 c h l 2c h l 5 c h l 4 注：表中一是电厂已安装的热点偶，分设于四根管的进气段截面。 3 2 2 测试系统 1 高温应变计 按设计和运行参数，1 2 5 m w 汽轮机高导管工作温度可达5 5 0o c ，为满足 自点火启动、升荷变荷直至并网运行的长时、变温跟踪检测的需要，需选用 具有适当工作温度域和稳定性好的高温应变计。经过论证，选用了日本t m l 公司的a w - - 8 型焊接式应变计4 。 2 热电偶 在非常温环境中测量构件表面的温度，常用的方法有热电偶法和热电阻 法。热电偶具有使用方便、价格低廉以及测量精度高等特点，我们选择的是 k k 一7 0 0 ( 1 0 3 + l 0 3 ) 屏蔽型点式热电偶，用k x h f 4 p ( 2 1 0 ) 型补偿导线引出热电信号。将热电偶用碳精电弧焊球状熔结成，可靠点焊于 图3 2 1 中的温度测点上。 熬藕豢菇： 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 3 信号记录仪 选用日本东京测器公司的t d s 一3 0 3 型便携式自动数据采集仪，对多达 1 6 通道( 其中温度8 个，应变8 个) 的测量信号进行定时自动扫描记录。 3 2 3 应变计的桥路连接 f u l lb l i d e h t g - a 1 a 沪 多曩。耋b 纠 b c do - s w i t c h i n gb o x 图3 2 2 回路连接图 本实验选用的应变计采用全桥接法。如图3 2 2 中所示接法，所用的温 度补偿电阻、平衡电阻、和固定电阻都包含在回路板h t g a 1 中，不需另 外接入。回路板h t g a l 置于高温区外。 用尺寸、材料和长度相同的高温导线将工作片的三根引线分别从高导管 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 管壁保温层引出至常温区，再用三芯屏蔽线接入t d s 一3 0 3 便携式数据采集 仪。 3 2 4 测试流程 图3 2 3 测试流程图 j 蘸辍蕊，囊 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 图3 2 5 高导管焊区应变测试现场( 2 ) 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 3 3 试验数据修正 高温测试直接得到的应变数据中包含导线电阻、应变计热输出、灵敏系 数热影响等因素，必须对实验数据进行逐项修正【4 2 4 4 】。 3 3 1 导线电阻修正 高温应变电测中对测试结果有影响的导线电阻有两项：一是高温区导线 因温度变化而产生的电阻变化量；二是常温区长导线电阻的桥路信号损失。 设当工作温度变化时，高温区导线的电阻变化为甜，工作片电阻的变化为 月，则 肌，掣一兰：竺：竺眦1 ) 肛5 百一雨2 而2 i 而 ( 3 川 式中：k 一一应变计灵敏系数； 一一记录仪应变读数； 尺一一工作应变计常温初始电阻： ，一导线常温区电阻。 由于 a r ；k s 尺 式中：一一一由工作片所产生的应变，即导线电阻修正应变。 将式( 3 3 2 ) 代入式( 3 3 1 ) 得 ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) 由以上的推导过程可以看出，完全去除高温区因温度变化而导致的导线 电阻的变化对测试结果的影响，同时也可以有效地降低长导线电阻带来的误 差。a w 一8 型高温应变计r = 1 2 0 q ，本次实验中r 平均为1 0 f 2 ，由式( 3 3 3 ) 可以得出因长导线电阻而带来的误差为8 3 ，在数据处理中需要作相应处 理。 鎏瓿觏i j 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 3 3 2 热输出修正 1 温度效应 4 5 4 6 l 安装于构件上的应变计，在构件不受力的情况下，随着温度的改变其阻 值也会发生变化，这种现象就叫做应变计的温度效应。因此导致的应变计电 阻变化由两部分组成： ( 1 ) 敏感栅材料电阻温度系数变化的影响； ( 2 ) 敏感栅材料与构件材料线膨胀系数不同，使得应变计产生附加变形 从而导致电阻的变化。 设环境温度变化为a t ，应变计的电阻变化率为： ( 等) ，= f + k ( a m - - o r g ) f ( 3 3 4 ) 式中：一一敏感栅材料的电阻温度系数： k 。一一敏感栅丝的灵敏系数； t 2 。一一构件材料的线膨胀系数： 口。一一敏感栅材料的线膨胀系数。 ( 等) ，经仪器转换后的应变输出称为热输出勺，即 ( 争，啼 ( 3 3 5 ) 式中：k 仪一一应变计灵敏系数。 显然，由于图1 中r 。位于常温区，只起到电路平衡作用，工作应变片的热 输出被保留了下来故必须对式( 3 3 3 ) 中的进行应变热输出修正。 2 热输出标定 一般，对于高温应变片的热输出标定，在同一批a w 一8 型应变计中，随 机抽样进行实验室标定。在与高导管相同的材料的试件上布置应变、温度测 点各一个。应变计的接桥方法、检测元件的安装工艺以及信号记录仪均与实 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 测时相同。将试件放入高温标定炉内均匀加热，以基本恒定的速率从室温升 温至5 5 0 0 c ，得到应变计的热输出曲线。 本次实验的应变片选用日本t m l 公司的每片a w 一8 型焊接式应变计出 厂时都热输出进行了标定。其标定数据表格列出如下表3 3 1 一表3 3 8 。 表3 3 1 l 号应变计热输出标定表 c o 盯钾$ da tg f 高瞄瞳o 爹t a k y 口s e k k ! k “y _ i - c 。w m a d ei nj a p a n 表3 3 3 3 号应变计热输出标定表 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 表3 3 34 号应变计热输出标定表 c o r r e c t e d 融g f 墨k 瞄! o t e r n 舯t a l u m h e a t e d0 - m e t e rh e r o d1 5 - m e t e r h e a t e da 叶州蛐 代)洲0 q , a 2 捌 t - - _ 明 2 r i t - - m o _ 2 硎 溯o2 湖lo2 舯，o纛3 8 1 3 2 8 8 t- 2幺矗_ 51 4 42 舶9 矧谢2 勰12 4 43 们o2 , 1 8 嚣- o 搴9 捌盘1麟 & 3 搿l4 矗钉 柏2枷2 3 8 1 - 2 1 03 t 1 2- 2 2 l5 0 4 4 2啪2 8 扪1 0 1i - 3- 1 1 4& n 5 3秘2 舶勰4 - 4 1 5 甜e , 4 4 a 表3 3 45 号应变计热输出标定表 t o k y o s o k k ! i t e n k y 。i “。州曲钠妇p a “ 表3 3 56 号应变计热输出标定表 _ i 撬l 漱 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 表33 67 号应变计热输出标定表 表3 3 78 号应变计热输出标定表 t o k y a s o k k l h k ；p l m 棚 捌。轴柳m 表3 3 81 0 号应变计热输出标定表 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 3 热输出修正 热输出修正公式为： s ”= 8 - - 6 r( 3 3 6 ) 式中：一一热输出修正后的应变读数。 热输出通过表格进行线性插值算法可以得到在2 2 0 c 一6 0 3 0 c 之间的值， 对于超出此温度范围的热输出修正值，可以按照在末端作切线的方法求得相 应的值。 3 3 3 灵敏系数修正 t d s 3 0 3 自动数据采集仪灵敏系数设定为k 。= 1 0 0 ，而高温应 变计的灵敏系数却是温度的函数，因此须按照测点实际温度进行 灵敏系数的修正。 儿竺些( 3 3 7 ) 足， 、7 式中k ，为应变计在不同温度下的灵敏系数，a w 一8 型应变计k ，由厂商 提供，线性较好【2 】 3 4 实验规律 本次汽轮机高温导汽管焊区在线应力检测，在萧山发电厂14 机组大修 期完成了检测系统的安装，对测点从水压试验、点火启动、变荷调试直至满 负荷运行的全程检测，获得了大量的测试数据。 在2 0 0 2 年1 月2 7 日1 3 点3 0 分机组点火启动，至1 月2 9 日1 6 点机组 满负荷并网输电的有效时段中，t d s 一3 0 3 自动数据采集仪3 分钟定时采集数 据，以时距记录于随仪磁盘并有纸带输出。 整个测试过程可分成三个阶段： 1 水压试验期 ；蠡i 赫漱l 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 这一阶段锅炉将在常温下注水升压，内部介质的重量和试验水压是主要 荷载。 2 变荷调试期 锅炉点火启动后，蒸汽温度在整体上升的趋势中有频繁的小幅振荡，结 构处于一个复杂的变化温度与压力场中。 3 满负荷运行期 此时机组处于稳定运行状态，高温导汽管的温度、压力等负荷也趋于稳 定。 5 4 0 5 2 0 5 0 0 4 8 0 艺4 6 0 封4 4 0 4 2 0 4 0 0 3 8 0 01 02 03 04 05 0 时间( h ) 图3 4 1 蒸汽机运行过程中高导管监测图 加加孔o j 一碍挥 4 2 0 8 6 4 2 0 一ed邑哺坦 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 2 ) 图3 4 1 为实时记录的蒸汽的温度、压力和机组输出功率曲线，明确揭 示了输出功率与蒸汽温度、压力的相关性。当输入少时，压力、温度就降 低；加大输入，则压力、温度随之上升。可见，机组负荷荷蒸汽温度、压力 有紧密的调制关系。在我们的应变、温度检测中，在机组满负荷运转时，高 导管温度和焊区管的轴向应变也达到最大，这为分析汽轮机运行工况与高导 管根部焊区应力水平的关系提供了规律和途径。 伴随着蒸汽机组到达满负荷运转及其调峰运转，由于锅炉蒸汽压强的不 断变化，蒸汽温度的低幅度不断变化，锅炉高导管