基于振動特性的高溫管線蠕變損傷的識別

王 寧, 涂善東, 謝國福, 劉 龍

(1.華東理工大學 機械與動力工程學院,上海 200237;2.中國核動力研究設計院,成都 610041;3.上海海事大學 物流工程學院,上海 200135)

在石油化工、火力發電及核電工業中運行著許多受壓的高溫設備與管道,尤其以火力發電廠和核電站中的高溫高壓蒸汽管線最為常見.目前,高溫復雜管系的結構安全問題正日益引起人們的重視.一方面,我國正大力發展超超臨界發電技術,溫度和壓力的提高增加了安全運行的風險;另一方面,我國許多電廠的蒸汽管道逐漸進入老齡期,已經達到或超過了其設計壽命,但是出于經濟和技術等方面的原因還不能更換,存在很大的安全隱患.一旦發生事故,將嚴重威脅機組設備和發電系統的正常運行,造成巨大的經濟損失甚至危及人身安全.

1 基于振動特性的管道損傷識別的研究進展

隨著服役時間的延長,高溫管系由于蠕變或疲勞等原因,不可避免地產生內部損傷,能否檢測出這些損傷對工廠的安全運行至關重要.在檢測管道損傷方面,目前國內外應用比較廣泛的方法有超聲波、漏磁、工業X射線和渦流等.但這些方法也存在一些不足之處,如對于復雜管線損傷識別的局限;受外界環境條件的影響比較大;難以實現在線動態監測等.

研究能夠應用到大型復雜結構的整體實時動態方法已成為迫切要求,在這方面基于結構振動的損傷識別方法具有很大優勢.

基于振動特性的損傷識別[1-2]的基本思想是:損傷的出現將引起結構物理特性(如剛度、質量和阻尼等)的變化,進而導致結構動態特性(如固有頻率和振型等)的變化.因此,根據結構動態特性的變化能夠識別出結構的損傷.基于振動特性的損傷識別方法有很多特點,主要表現在:

(1)具有非破壞性、方便、快速和廉價等優點,對于大型工程結構,可以利用環境激勵引起的結構振動來進行.

(2)振動測試可以在結構處于工作狀態下進行,實現實時動態監測.

(3)易于把傳感器安裝在結構深處,可以用作振動診斷的信號類型多、量值變化范圍大,而且是多維的.

(4)隨著現代數據采集、傳輸及實時分析處理技術的快速發展,振動測試技術易于實現診斷系統的自動化、小型化和遠程化.

對結構裂紋采用振動方法進行分析可以追溯到1978年Adam s等[3]的研究工作,經過近30年的研究,結構損傷識別的振動方法取得了很大的進展[4-5].目前,在高溫管線的動力學特性及基于振動測試的損傷識別方面,國內外進行了廣泛的研究.

在損傷方面,一般利用管道頻率和響應信號的變化來判斷是否已經出現損傷.如M urigendrappa等[6]提出了在不同壓力下利用頻率的變化來識別充液管裂紋損傷,并且通過試驗驗證了其有效性.凌祥[7]提出一種測定蠕變損傷和臨界損傷因子的自振頻率法,并應用該方法測定了25Cr20Ni合金的蠕變損傷和臨界損傷因子.徐大清[8]通過分析觀測信號的正交小波頻譜隨時間的變化情況來研究管道損傷.邵劍文[9]基于分布式光纖傳感技術進行了海底管道的健康監測系統軟件的研究工作.史平洋等[10]開發了電站鍋爐高溫受壓元件蠕變和低周疲勞壽命損傷計算及在線監測系統.但總體看來,基于振動特性的高溫管道損傷識別的研究還不多,有待進一步深化.

2 主蒸汽管線情況

本文針對某大型石化企業自備電站的高溫管系進行研究.管系主要由6臺鍋爐給4臺汽輪機供應發電用蒸汽.其中,1號、3號、4號和6號鍋爐的蒸汽分為三部分:一部分直接供應一臺汽輪機,一部分進入蒸汽母管,剩余一部分則進入點火管;2號和5號鍋爐的蒸汽則分為兩部分:一部分進入母管,另一部分進入點火管.另外,每臺汽輪機除了有一臺鍋爐直接供汽外,還有部分蒸汽來自點火管.圖1為該自備電站的管線系統示意圖.表1給出了主蒸汽管線的尺寸.

圖1 某自備電站的管線系統示意圖Fig.1 Schematic diagram for pipeline system of a selfcontained power plant

表1 主蒸汽管線尺寸Tab.1 Dimension of main steam pipeline

該高溫管系分布十分復雜,結構尺寸較大,采用連續體單元進行管系的應力應變分析顯然是不經濟的.根據管系的結構特點,針對連續結構,可以采用管單元進行分析.采用管單元分析管系的應力應變時,首先可以得到管系整體應力應變的分布,然后對于一些不連續結構,可以局部采用連續體單元作進一步分析.這種全局分析輔以局部剖析的方法可以最大程度地減少計算量,同時也能夠保證足夠的精度.另外,對高溫工況下管系結構的另一指標蠕變壽命進行分析時,同樣可以采用管單元的方式.

由于管道系統的重復性以及固定支架在管道系統應力分析中的分割作用,對不同管道采用的分析方法基本一樣,本文僅對4號汽輪機的供氣管道進行分析.這部分管道包括6號鍋爐到4號汽輪機的主管道和點火管,點火管通往汽輪機以及蒸汽母管到點火管的主蒸汽管道(彎管半徑R=1 370 mm),主蒸汽管道到點火管的連接管道以及部分點火管(彎管半徑R=600 mm)和部分母管(彎管半徑R=1 500 mm).管線系統全局與局部示意圖見圖2.

圖2 管線系統全局與局部示意圖Fig.2 Global and local layout of the pipeline system

3 高溫損傷管道的動力學分析

高溫管系在運行過程中受到蠕變疲勞的交互作用,不可避免地會出現內部破壞,如不及時采取措施,損傷逐漸累積就會導致管道失效.本文所涉及的損傷主要是指高溫蠕變損傷.高溫結構損傷的及時判斷對工廠的安全運行至關重要,是工程上迫切需要解決的難題.在這方面,基于振動特性的損傷方法具有顯著的優勢.一般,通過管道頻率和響應信號的變化來判斷是否已經出現損傷,但專門針對高溫管道的振動模態損傷識別的研究也不多.

3.1 高溫管系的模態分析

高溫管系的尺寸及材料參數見表2,前4階固有頻率見表3,振型見圖3.

表2 管道設計參數及材料參數Tab.2 Design parameters and material properties of the pipeline system

表3 總體管系的前4階固有頻率Tab.3 The1st-4th order natural frequency of the pipeline system Hz

從計算結果可以看出,整體管系為典型的低頻振動系統,振幅最大處出現在連接鍋爐與蒸汽母管的長管道上,應加強此處的管系約束,防止汽流擾動、地基不穩等引起管道振動而威脅高溫管系的安全運行.

3.2 損傷前后彎管頻率的變化特性

根據高溫管系的結構特點,選取典型彎管進行損傷管道的動力學特性分析.取母管彎管為研究對象,其半徑R=1 500 mm,兩端固支,截面為 Φ366.5 mm×36 mm,材料與主蒸汽管線的材料一致.

3.2.1 損傷彎管頻率的計算

與直管類似,同樣考慮結構對稱性,選取損傷的位置為:距固定支點沿圓周方向分別為 11.25°、22.5°、33.75°和 45°,分別產生 10%、30%、50%和70%的蠕變損傷,采用管單元進行分析,但需要進行單元細化.

在不同位置出現不同程度的損傷后,第1～4階頻率的變化情況示于圖4.不同損傷程度彎管段的第1～4階頻率的變化示于圖5。

3.2.2 損傷彎管頻率計算的討論

從計算結果可以看出,損傷的出現與結構固有頻率的下降緊密相關,利用頻率進行高溫管道損傷識別具有如下特點:

(1)損傷位置對不同階次頻率的影響不同,通過這一性質可以判斷損傷發生的位置.

(2)損傷程度對同一階次頻率的影響近似為線性關系,可以較容易地識別損傷程度(圖5).

(3)由于固有頻率是工程中較易獲得的模態參數,故其精度容易保證;同時頻率的整體辨識特性使測量點可以根據實際情況確定.

圖3 無損傷總體管系的第1～4階位移振型Fig.3 The 1st-4 th order displacement mode of the in tact pipeline system

圖4 損傷彎管段的第1～4階固有頻率Fig.4 The 1st-4th order natural frequency of elbow pipes with different dam age severities

基于頻率的損傷識別方法具有一定的優勢,但在計算中也發現一些問題,主要體現在:

(1)固有頻率對管道早期損傷并不十分敏感,對輕微損傷和局部損傷的探測較困難.

(2)不同位置的損傷對不同階次的頻率影響不同,而精確地獲得高階固有頻率的變化是很難的.

考慮到現場測試時不可避免地受到測量噪聲的影響,單純依賴頻率變化進行高溫管道損傷識別具有較大的難度.

圖5 不同損傷程度彎管段的第1～4階頻率的變化Fig.5 Variation of the 1st-4th order frequency of elbow pipe under different damage conditions

3.3 損傷前后彎管沖擊響應的變化特性

3.3.1 損傷彎管沖擊響應的計算

考慮到固支彎管段的對稱性,沖擊激勵點選在中點處,在1/4彎管處出現10%、30%、50%和70%的損傷后,利用ABAQUS計算在中點處的響應特性.圖6為損傷彎管段受沖擊后的響應變化.

圖6 損傷彎管段受沖擊后的響應變化(1/4彎管處)Fig.6 Impulse response of damaged elbow pipe(at one fourth position)

3.3.2 損傷彎管沖擊響應計算的討論

通過計算在脈沖激勵下不同損傷彎管結構響應信號的變化特性,可以發現以下特點:

(1)隨著損傷程度的增加,損傷前后沖擊響應的變化越來越明顯,可以很清楚地判斷出損傷的發生.

(2)損傷位置的變化對沖擊響應的影響不同.

(3)與頻率相比,基于響應信號的識別方法更適合高溫管道損傷.如在發生30%損傷時,損傷前后彎管頻率變化的絕對值不到1%,而響應振幅的變化能達到10%左右(如圖6(b)所示).

但從計算結果可以看出,對于較小損傷(如10%)的情況,響應信號的變化依然不明顯.需要進一步研究更適合的動力學參數,如應變、振型等,引入更先進的信號處理手段,并與其他損傷方法相結合,才能實現高溫管道的在線、實時、精確的損傷監測.

4 結 論

(1)在微小損傷的條件下,高溫直管/彎管的頻率變化較小,考慮到實際測量噪聲的影響,單純從結構的固有頻率變化來識別微小損傷是比較困難的.

(2)通過分析沖擊響應的變化可以判斷是否已經出現損傷,特別是在損傷大于30%時,而且彎管沖擊響應的變化較直管更明顯.沖擊響應對于判斷較小損傷依然是比較困難的.

(3)基于振動特性的高溫管道損傷識別方法具有較好的應用前景,但需要更進一步的深入研究,才能應用于高溫結構的損傷識別.

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