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火力发电厂弯管损坏分析 |
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| 火力发电厂弯管损坏分析 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-23 16:45:21  |
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弯管是火力发电厂主蒸汽管道系统中较易损坏的部件之一，其运行寿命往往比直管短。据有关单位统计，我国已有48个弯管产生过程度不同的裂纹［1］。这与弯管弯制过程中所产生的椭圆度、加工残余应力、预损伤以及弯管外弧侧壁厚减薄、内弧侧增加等因素有着很大的关系，有工作表明这些因素都会影响弯管的使用寿命。目前，我国导则DL441-91对主汽管弯管蠕变变形的监督还不完善，电厂仅根据使用时间的长短来更换弯管，这种做法直接影响到发电厂运行的安全性和经济性。由此可见，很有必要加强弯管的蠕变变形监督。根据生产实际和试验研究结果，弯管的失效是由周向应力引起的，其最大值通常位于弯管距起弧处45°附近的外弧侧［2］，而且对于273管而言，通常在椭圆外弧侧短轴为中心长度约为80 mm的弧段上开裂。由于弯管本身的几何形状及弯制过程中所产生的一些效应(如椭圆度、外弧侧壁厚减薄等)使弯管的应力状态比直管复杂得多，在运行过程中弯管将承受以下几种应力：
（1） 内压应力
内压是管道的主要载荷，在内压作用下不仅应力值较大，而且椭圆度对外弧侧周向应力的影响也很显著。因为在内压的作用下，椭圆有复圆趋势，故此在椭圆的短轴处要受到附加弯曲力矩和横向剪力的作用。按应力性质分类，内压作用下椭圆复圆所产生的附加应力为二次应力，但它的作用时间比其他二次应力时间长，故此本文中把它当作一次应力来处理。设弯管上某点与弯曲中心的连线同中心面的夹角为ψ，则该点的内压应力各分量的表达式如下：
式中 σNθ，σNz，σNy——内压作用下弯管的周向、轴向和径向应力；
Dp——管子平均直径，mm；
S——管子壁厚，mm；
R0——弯管弯曲半径，mm；
f——形状因子；
Tu——椭圆度，Tu＝×100％（其中：Dmax，Dmin分别为管头管径的最大值和最小值)，mm；
P——管子所承受的内压。
（2） 持续外载弯矩产生的应力
持续外载是指包括自重在内的支撑荷载所产生的弯矩，此弯矩存在必然给管道施加一部分应力，使管道的蠕变速率上升。根据文献［2］弯管受外载弯矩M0作用产生的应力可以参考曲梁受纯弯曲作用的情况来分析。因而弯管上与弯曲中心距离为r的点的受力情况为［3］：
式中开弯取“－”，闭弯取“＋”；
k——系数，k＝；
M0——持续外载弯矩；
Dn——管子内径；
DW——管子外径；
a＝R0－Rn－〔1＋（1／4）（Dp／R0）〕S，mm；
b＝R0＋Rn＋〔1－（1／4）（Dp／R0）〕S，mm；
Rn——弯管弯曲内半径；
σWθ，σWz，σWr——外载弯矩所产生的周向，轴向和径向应力。
因此，弯管总的受力情况为：
（3）
σθ、σz、σr——弯管所受周向、轴向、径向应力。
当主蒸汽管道发生高温位错蠕变时，其中发生塑性变形的区域很小，故此发生了塑性变形的材料的变形完全为其周围处于弹性状态的材料所控制，根据国内外有关的设计规范可知，完全可以运用弹性理论来分析主蒸汽管道的蠕变变形，故此由广义Hooke定律：
（4）
εθ、εz、εr——弯管所产生周向、轴向、径向应变。
利用式(4)并结合式(1)、(2)、(3)，取μ＝0．5可得弯管的变形情况如下式：
（5）
式中各符号的含义与前面相同。
从上式可见，在支吊架工作正常时，弯管的周向变量最大，而且周向变形的大小仅与sinψ和Tu有关。ψ值越小则周向变形越大，即越靠近外弧侧椭圆短轴，弯管的周向变形越大，这一点与实际情况相符。关于椭圆度Tu对周向变形的影响应结合外载弯矩M0的方向来考虑，见图1。当M0的方向如(a)所示时，在M0的作用下弯头的转角γ将变小为（γ－Δγ），此时管道的椭圆度Tu势必增大；图中（b)的情况则与此相反。同时在内压作用下管道有复圆的趋势，其椭圆度Tu逐渐减小。可见在内压和M0的共同作用下弯管椭圆度Tu有以下3种变化趋势：（a)增大或不变、（b)减小。此分析与有关文献不同。Tu的作用对整个弯管上所有的点都一样，故可视为常量。因此主蒸汽管道弯管的周向变形最大，而且越靠近中心面的点变形越大，容易在这些部位开裂。
图1 外载弯矩M0的方向对周向变形的影响
参考文献：
［1］徐鹤廷，秦光伟．管道弯头应力的试验研究［J］．热力发电，1986，（3）：36－39．
［2］徐鹤廷．主蒸汽管弯头工作应力有限元［J］．电力技术，1992，（11）∶51-60．
［3］王俊奎，丁立祚．弹性固体力学［M］．北京：中国铁道出版社，1990．
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