火電廠鍋爐汽水管道應(yīng)力計(jì)算研究

摘 要:鍋爐汽水管道作為一種以低碳鋼、低合金鋼和高鉻鋼為管材的壓力管道，汽水管道的應(yīng)力驗(yàn)算是火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)工作的一個(gè)重要組成部分，不可缺少的環(huán)節(jié)，主要從理論上對(duì)火電廠鍋爐汽水管道應(yīng)力分析以及計(jì)算進(jìn)行概述。

關(guān)鍵詞:火電廠鍋爐;汽水管道;應(yīng)力分析;應(yīng)力計(jì)算

中圖分類號(hào):TP

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)08-0286-02

1 管道應(yīng)力分析

1.1 應(yīng)力分析

管道承受的內(nèi)壓和持續(xù)外載(包括自重產(chǎn)生的拉力和支吊架反力)屬一次應(yīng)力。它必須滿足外部、內(nèi)部力和力矩的平衡法則。一次應(yīng)力的基本特征是非自限性的，它始終隨所加荷載的增加而增加，超過屈服極限或持久強(qiáng)度，將使管道發(fā)生塑性破壞，或者總體變形。因此，必須防止發(fā)生過度的塑性變形，并為爆破或蠕變失效留有足夠的裕度。

管道因熱脹、冷縮等變形受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力屬二次應(yīng)力。熱脹二次應(yīng)力不是直接與外力相平衡，而是由管道各部分變形來協(xié)調(diào)適應(yīng)的，與一次應(yīng)力不同，它具有自限性。當(dāng)管道產(chǎn)生局部屈服和小量塑性變形時(shí)，能將管道二次應(yīng)力降低，應(yīng)力重新分布，使管道在工作狀態(tài)和冷狀態(tài)的應(yīng)變達(dá)到自均衡。對(duì)于塑性良好的管材，一般管系在初次加載時(shí)，熱脹二次應(yīng)力是不會(huì)直接導(dǎo)致管道破壞的，若應(yīng)變?cè)诙啻沃貜?fù)交變情況下，可能引起管道和附件的疲勞破壞。因此，對(duì)二次應(yīng)力的限定，并不取決于一個(gè)期間的應(yīng)力水平，而是取決于交變應(yīng)力范圍和交變循環(huán)次數(shù)。

通常我國(guó)發(fā)電機(jī)組交變應(yīng)力次數(shù)取7000次，同時(shí)將最大合成應(yīng)力控制在1.25([σ]20+[σ]′)范圍內(nèi)，則汽水管道不會(huì)出現(xiàn)反復(fù)塑性變形，在7000次交變應(yīng)力次數(shù)以內(nèi)，亦不會(huì)出現(xiàn)低周疲勞破壞，但超過了7000次后，管道可能出現(xiàn)疲勞破壞。

1.2 應(yīng)力限制的最大范圍

按照虎克定律，管道在受外載作用下不發(fā)生屈服時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系。但當(dāng)管道的應(yīng)力和應(yīng)變超過屈服極限后，材料將進(jìn)入塑性區(qū)，此時(shí)虎克定律不再適用，需要用到曼森“彈性——應(yīng)變不變性”假定。其認(rèn)為，在小變形范圍內(nèi)，按照彈性計(jì)算的應(yīng)變數(shù)值大致與按照塑性計(jì)算的應(yīng)變相同，超過屈服極限以后，可以將高出屈服極限的彈性應(yīng)力認(rèn)為是塑性應(yīng)變的量度，在非蠕變溫度條件下，只要彈塑性材料上的最大應(yīng)力范圍限制在兩倍屈服極限以內(nèi)，結(jié)構(gòu)將安定在彈性狀態(tài)。

根據(jù)極限分析和安定性分折理論，材料在不發(fā)生塑性變形的連續(xù)循環(huán)，管道在有限量塑性變形之后，能安定在彈性狀態(tài)。管道從拉伸屈服至壓縮屈服的總彈性應(yīng)力應(yīng)變范圍是兩倍屈服極限(即2σs)。循環(huán)荷載引的應(yīng)力超過兩倍屈服極限，結(jié)構(gòu)將發(fā)生交替性破壞或增量破壞(失穩(wěn))。上述理論分析的結(jié)論認(rèn)為對(duì)管道應(yīng)力限制的最大應(yīng)力范圍，其應(yīng)力幅值不超過兩倍屈服極限。目前在火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)定中，應(yīng)力驗(yàn)算均遵循上述理論分析的結(jié)論。

2 應(yīng)力計(jì)算

2.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力指為了平衡內(nèi)壓或其它機(jī)械荷載所必須的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它所引起的總體塑性流動(dòng)是非自限性的。表現(xiàn)在管道上即由內(nèi)壓、自重和其它外載(包括持續(xù)荷載和偶然荷載)作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力，當(dāng)它超過管子材料的屈服極限時(shí)，構(gòu)件即產(chǎn)生塑性變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致管道的破壞。一次應(yīng)力對(duì)應(yīng)管材的彈力強(qiáng)度，是首先必須滿足的。

DL/T5366-2006《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》和美國(guó)ASME B31.1標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓產(chǎn)生的折算應(yīng)力不得大于鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力:

D0——管子外徑(mm);

S——管子實(shí)測(cè)最小壁厚(mm);

Y——溫度對(duì)計(jì)算管子壁厚公式的修正系數(shù);

α——考慮腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度的附加厚度(mm);

η——許用應(yīng)力的修正系數(shù);

MA——由于自重和其他持續(xù)外載作用在管子橫截面上的合成力矩(N·mm);

W——管子截面抗彎矩(mm3)，對(duì)直管和彎管;

W=π(D40-D4i)/(32D0)，對(duì)于支管接管座，W=π(r'mb)2Sb;

rmb'和Sb分別為支管平均半徑及接管座加強(qiáng)有效壁厚;

[σ]t——鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力(MPa);

i——應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，0.75i不得小于1;

K——系數(shù)，當(dāng)任何24h連續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)存在超溫超壓或偶然荷載作用時(shí)間少于10%時(shí)，K=1.15，少于1%時(shí)，K=1.20，若穩(wěn)定運(yùn)行，則K=1;

MB——安全閥或釋放閥的反座推力、管道內(nèi)流量和壓力的瞬時(shí)變化及地震等產(chǎn)生的偶然荷載作用在管子橫截面上的合成力矩(N·mm)。只有在地震烈裂度為8度及以上地區(qū)建廠，并已在設(shè)計(jì)合同中規(guī)定應(yīng)對(duì)該管道考慮地震的影響時(shí)，才進(jìn)行管道地震的驗(yàn)算。在驗(yàn)算時(shí)，MB中的地震力矩只取用變化幅度的一半。

2.2 熱脹二次應(yīng)力

二次應(yīng)力指為滿足外部約束或結(jié)構(gòu)自身變形連續(xù)要求所需的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，具有自限性的特點(diǎn)。表現(xiàn)在管道上即由熱脹冷縮及位移受約束時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，這類應(yīng)力不會(huì)直接導(dǎo)致管子破壞，但可使管道產(chǎn)生局部屈服和小量塑性變形，能破壞管道的安定性。二次應(yīng)力是以一次應(yīng)力的評(píng)定為基礎(chǔ)的。管道的熱脹應(yīng)力按冷熱態(tài)的應(yīng)力范圍驗(yàn)算，因?yàn)楣艿罒崦浭芗s束時(shí)所產(chǎn)生的初始應(yīng)力并非恒定不變。在熱態(tài)工況下，如果初始熱應(yīng)力達(dá)到某一限定值，則會(huì)由于局部屈服或蠕變而出現(xiàn)應(yīng)力降低現(xiàn)象，所降低的應(yīng)力，當(dāng)管系回到冷狀態(tài)時(shí)，往往會(huì)在反方向出現(xiàn)。這種自彈的現(xiàn)象，類似管系的冷緊，稱為自拉。自拉的量值很難做準(zhǔn)確的度量。盡管管系應(yīng)力松弛系數(shù)是個(gè)未知數(shù)，但管系在任一循環(huán)中冷熱態(tài)應(yīng)變量的總和大體是不變的。為了計(jì)算方便，管道熱脹應(yīng)力的計(jì)算采用全補(bǔ)償值和鋼材在20℃的彈性模量，得出應(yīng)力范圍，這樣就可以將復(fù)雜的彈塑性管系簡(jiǎn)化成當(dāng)量彈性體進(jìn)行分析。采用此驗(yàn)算方法時(shí)忽略了熱脹應(yīng)力對(duì)管道可能產(chǎn)生的蠕變以及材料在拉伸屈服后再承受壓縮時(shí)，其壓縮屈服極限將略小于原來冷態(tài)屈服極限的鮑辛格效應(yīng)。

對(duì)國(guó)產(chǎn)鋼材和部分德國(guó)鋼材管系熱脹應(yīng)力范圍必須滿足下式要求:

σE=iMCW≤f[1.2[σ]20+0.2[σ]t+([σ]t-σL)]

對(duì)美國(guó)鋼材管系熱脹應(yīng)力范圍必須滿足下式要求:

σE=iMCW≤f[1.25[σ]20+0.25[σ]t+([σ]t-σL)]

上述二式中:

[σ]20——鋼材在20℃時(shí)的許用應(yīng)力(Mpa);

Mc——按全補(bǔ)償值和鋼材在20℃時(shí)的彈性模量計(jì)算的熱脹引起的合成力矩(N·mm);

σe——熱脹應(yīng)力范圍(MPa);

σL——由于內(nèi)壓、自重和其它持續(xù)外載所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和(MPa);

f——應(yīng)力范圍的減小系數(shù)，在電廠預(yù)期的運(yùn)行年限內(nèi)，該值與管道全溫度周期性的交變次數(shù)N有關(guān)。

通常計(jì)算中N取值7000，但需注意，當(dāng)N=7000時(shí)，國(guó)產(chǎn)鋼材的f取值為0.8136，而美國(guó)鋼材的f取值為1。且美國(guó)鋼材的二次應(yīng)力不能使用國(guó)產(chǎn)鋼材的公式進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3 一次加二次應(yīng)力

管道在熱態(tài)和冷態(tài)所能維持的應(yīng)力水平，可以根據(jù)材料強(qiáng)度或疲勞強(qiáng)度來確定，取二者的較小值。對(duì)于一般熱力管道所采用的鋼材，在冷態(tài)時(shí)往往以疲勞強(qiáng)度作為控制條件，在熱態(tài)時(shí)則以高溫強(qiáng)度作為控制條件。DL/T5366-2006《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》規(guī)定一次加二次應(yīng)力的許用應(yīng)力范圍限定為≤1.25([σ]20+[σ]t)。

2.4 推力、力矩和抗彎矩計(jì)算

2.4.1 推力、力矩的考慮

管道對(duì)設(shè)備(端點(diǎn))的推力和力矩考慮熱脹、端點(diǎn)附加位移、有效冷緊和自重，按鋼材在計(jì)算溫度下的彈性模量計(jì)算。根據(jù)管道運(yùn)行時(shí)不同工況分別有:

(1)按熱脹、端點(diǎn)附加位移、有效冷緊、自重和其它持續(xù)外載及支吊架反作用力作用條件，計(jì)算管道運(yùn)行初期工作狀態(tài)下的推力和力矩，這是考慮運(yùn)行初期，管道松弛前初始狀態(tài)可能出現(xiàn)推力和力矩的最大值。偶然荷載引起的推力和力矩，如安全閥的排放或管道內(nèi)流量和壓力的瞬時(shí)變化等引起的作用力，屬于非周期性的荷載，通常不必滿足設(shè)備的許用值。

(2)按冷緊、自重和其它持續(xù)荷載及支吊架反力作用條件計(jì)算管道運(yùn)行初期冷狀態(tài)下的推力和力矩，這是考慮在冷狀態(tài)下初始安裝冷緊時(shí)可能出現(xiàn)的最大值，若沒有冷緊，則不必考慮。

(3)按應(yīng)變自均衡，自重和其它持續(xù)外載及支吊架反力作用條件計(jì)算管道應(yīng)變自均衡后在冷狀態(tài)下的推力和力矩，這是考慮管道松弛后，自拉產(chǎn)生的冷縮力和力矩。采用各工況下下可能出現(xiàn)的最大值進(jìn)行驗(yàn)算，尤其是對(duì)汽輪機(jī)和泵等敏感設(shè)備，應(yīng)特別慎重，因?yàn)榧词故嵌虝r(shí)間內(nèi)作用力過大，也會(huì)對(duì)設(shè)備造成不良的影響。

2.4.2 力矩和抗彎矩計(jì)算

a、直管元件、彎管和彎頭合成力矩按下式計(jì)算:

M1=M2xj+M2yj+M2zj

式中j——各力矩的注腳A、B或C

b、直管元件、彎管和彎頭的截面抗彎矩w，按下式計(jì)算:

W=π32D0(D40-D41)

3 結(jié)束語

本文從理論基礎(chǔ)角度分析了火電廠鍋爐水汽管道的設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)行了管道的應(yīng)力分析、應(yīng)力計(jì)算等研究。

在實(shí)際的管道應(yīng)力計(jì)算中，很多時(shí)候都不是計(jì)算一次就能得到滿意的結(jié)果，這就需要我們對(duì)管道進(jìn)行反復(fù)修改。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果是管道一次應(yīng)力通不過，則可以改變管道壁厚或增加支吊點(diǎn)來改善;如果二次應(yīng)力通不過，則管道柔性不夠，可能是管道布置不合理或固定點(diǎn)設(shè)置不合理，可以通過適當(dāng)增加型彎或調(diào)整固定點(diǎn)位置來解決。此外，還有一些常見問題諸如位移過大，支吊點(diǎn)或端部荷載過大，支吊點(diǎn)脫空等，都可以通過相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整解決，以達(dá)到管道設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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