（工程力学专业论文）火力发电厂蒸汽管道的热应力研究.pdf

东南大学硕士学位论文 火力发电厂蒸汽管道的热应力研究 硕士研究生：张增赞导师：李微副教授 摘要 本文基于实验应力分析理论和有限元方法，研究延寿状态的火电厂主蒸汽管 道的应力分布特征和安全性评估，为实现高温部件剩余寿命在线监测奠定基础。 论文紧密结合“谏壁电厂主蒸汽管道剩余寿命在线监测”项目，应用相关力 学原理和方法，有针对性地开展了大量的研究和实验工作，尤其是在高温应变测 试技术、温度应力有限元分析方面做了大量工作。论文详细探讨高温应变测试技 术和有限元建模技术，推导空问梁单元的单刚、总刚以及内力计算公式，结合两 剥，方法对火电厂主蒸汽管道进行分析，精确得到主蒸汽管道的三维应力分布特 征。本文以有限元技术为手段，辅以实验应力分析方法，开展了以下研究工作： 1 、高温结构部件原位应变测试技术研究； 2 、复杂应力状态下，管系结构有限元建模技术研究； 3 、内压、管道自重、温度等各种实际因子对火电厂蒸汽管道一次、二次应力的 影响分布特征研究。 关键词：蒸汽管道高温应变有限单元法测试热应力 第1 页 东南大学硕十学位论文 r e s e a r c ho ft h e r m a ls t r e s so fs t e a m p i p i n g u s e di n t h e r m o - p o w e r p l a n t g r a d u a t e ：z h a n g z e n g z a ns u p e r v i s o r ：v i c ep r o f l iw e i a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，s t r e s sd i s t r i b u t i o na n ds e c u r i t yb s s e s s l t l e n to fs t e a mp i p i n gu s e di n t h e r m o p o w e rp l a n t h a v eb e e n r e s e a r c h e d ，b a s e d o nc o m b i n a t i o n a n a l y s i s o f e x p e r i m e n t a ls t r e s sa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a c h i e v i n g t h ef o u n d a t i o no f i n s p e c t i o n o n l i n eo f h i 曲t e m p e r a t u r ec o m p o n e n t s i nt h i sp a p e r , t e s t i n gp r o j e cci nj i a n b ip o w e rp l a n ti sm e n t i o n e d ，t h ep r o j e c ti st o a n a l y s i s s t r e s so fs t e a mp i p i n g m a k i n gu s eo fc o r r e l a t e dm e c h a n i c a lt h e o r ya n d m e t h o d ，m u c hr e s e a r c h i n ga n de x p e r i m e n t a lw o r k h a v eb e e nc a r r i e d ，e s p e c i a l l yi nh i g h t e m p e r a t u r es t r a i nt e c h n i q u ea n df i n i t e e l e m e n tm e t h o do ft e m p r a t u r es t r e s s i nt h i s p a p e r t e c h n i q u eo ff i n i t e e l e m e n tm o d e l i n ga j l dh i g ht e m p e r a t u r es t r a i nh a v eb e e n s t u d i e d ，b yd e r i v i n ge l e m e n ts t i f f n e s sm a t r i xa n d w h o l es t i f f n e s sm a t r i xa n df o r m u l a f o ri n t e r n a lf o r c ea n db yc o m b i n i n gh i g ht e m p e r a t u r es t r a i nt e s t i n ga n df i n i t ee l e m e n t m e t h o ds o m ej o b sh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ，b ym e a n so ff i n i t ee l e m e n t m e t h o da n d e x p e r i m e n t a ls t r e s sa n a l y s i sm e t h o d 1 t or e s e a r c hs t r a i nt e s t i n gt e c l m i q u eo fh i g ht e m p e r a t u r ec o m p o n e n t s 2 t or e s e a r c ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gt e c h n i q u eo fp i p i n gs y s t e mi nc o m p l i c a t e d s t a t e 3 t or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fi n t e r n a lp r e s s u r e 、p i p i n gd e a d w e i g h ta n dt e m p e r a t u e o nt h eo n c e 、t w i c es t r e s so f s t e a mp i p i n g k e yw o r d s ：s t e a mp i p i n gh i 曲t e m p e r a t u r e f i n i t ee l e m e n tm e t h o dt e s t t h e r m a l p r i n c i p l e 第1 i 页 丑 5 8 2 0 l c 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志列本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：易起煌缰日期：2 丝主： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：弱筵馥鬓导师签名： 东南大学坝士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力工业是关系国计民生的重要行业，在我国，8 3 以上的电力是由火力发 电厂提供的，因此保证火力发电厂的正常运行是至关重要的工作。火电机组是电 厂的重要组成部分，它的使用寿命与电厂运行的经济性和安全性密切相关。目前， 延长火电机组的使用寿命已成为研究的热点问题，吐界上许多发达国家从7 0 年 代起，就已把注意力转到研究火电机组延寿上来。如美国从8 0 年代开始，己基 本停止建设新的火电机组。我国火电机组同样面临超期服役，蒸汽管道老化等现 象。对火电机组使用寿命的评估成为科技人员迫切需要解决的问题【6 j 。 蒸汽管道是火力发电厂中的重要高温部件，不仅因为它造价高，更重要的是， 它若发生损伤对整个机组、乃至整个电厂的威胁都非常严重。在高蒸汽参数的电 厂、电站等单位中，蒸汽管道一直是金属技术监督工作的主要对象。延长主蒸汽 管道使用寿命是整个火电机组寿命延长的必要条件和重要组成部分。近年来，一 些超期运行的老龄化蒸汽管道爆破事故接连发生，同样使对老龄化蒸汽管道剩余 使寿命的研究提上议事日程【7 $ j 。 火电厂蒸汽管道的实际应力在运行中会受到支吊架实际状况、材质缺陷、温 度压力波动等设计时不确定因素的影响而大大偏离训算值，特别是电厂的主蒸汽 管道在不断的起停和调峰过程中其应力变化幅度决定着管道运行寿命和缺陷扩 展速度。针对主蒸汽管道的特点，必须采用理论和实验相结合的方法才能得到管 道的工作应力，可以清楚地认识工况下应力分布特征，为进一步分析应力产生的 原因，判别损伤类型，预测管道寿命提供依据。 可见，开展对火电厂蒸汽管道工况下的热应力研究具有较高的工程应用价 值，可以延长现有火电机组的使用寿命，降低事故的发生频率，对保证火电厂机 组的正常运行具有重要意义。通过对火电厂的主蒸汽管道的热应力评估，从理论 分析和现场测试分析两方面综合考虑，能够较为准确给定管道的工作状态，有利 于及时维修或更换损坏设各，延长蒸汽管道的使用寿命，这对于节约资源，降低 成本，也都具有重要的研究意义和工程实用价值。 东南人学硕二i = 学位论文 1 2 国内外研究现状 蒸汽管道的热应力分析是寿命评估工作的重要组成部分，几十年来，世界各 国都对火电厂蒸汽管道的应力分析方法做了仔细的研究并颁布了相应的技术规 程。德国的蒸汽锅炉技术规程( t r d ) 、压力容器协会规范( a d ) 以及工业标准 ( d i n ) 2 4 1 3 ，这些规程或规范都对不同情况的管道计算做了规定。美国对常规 发电厂管道的计算根掘美国国家标准a n s ib 3 ll ( 动力管道规程) 进行。针对 核电机组，美国则依据机械工程师协会( a s m e ) 规程中的锅炉和压力容器的第 l 儿部分进行分析t 玎j 。 近些年来，人们对压力容器以及管道的应力分析研究的更加深入，关于应力 分析方面的论文涉及的非常广泛。马来西亚h a s s a n ，a y b 等人提出了一种降低 容器接管区最高应力的新方法，他们在m o f f a t 研究的基础上提出了建议的接管 区几何形状可能的加工方法，并用有限元分析和实验验证了所建议的接管几何形 状降低应力的有效性。英国s t a n l e y 等人在以前所进行的单个斜孔研究的基础上 用光弹性试验研究了厚板上的斜排孔。美国的h o l l i n g e r 和h e c h m e r 首次提出了 一次和二次应力失效模式的评价及其与二维轴对称或三维有限元分析结果的关 系问题，并用圆筒形容器上的接管为例定量比较了三种确定薄膜应力和弯曲应力 的方法 4 ，5 1 。k r o e n k e 提出了从二维轴对称应力分布计算薄膜应力和弯曲应力的方 法nh s u 和m c k i n l e y 提出了对三维应力进行分析的方法。h o l l i n g e r 和h e c h m e r 用七种方法及简单的二维轴对称分析提出了关于什么应力与弯曲理论相一致的 问题。法国的d u b o i s 等研究了用传递函数法( t r a n s f e rf u n c t i o n ) 进行瞬态热弹 性分析。针对核电厂设备在预计寿命中可能遇到的一切情况都要计算热应力，并 要进行抗疲劳裂纹的萌生及发展的评定情况，用有限元法对每一瞬态热冲击进行 计算，该计算是对整个元件进行计算，最后进行疲劳损伤评定。以传递函数法为 基础的新的局部分析方法，不需对整个元件进行分析，只要关于危险区域的损伤 变化情况，就可进一步进行瞬态分析f 9 】。以色列的r m i r o s h n i k 和y s h a k e d 对德 国规范t r d 提出了有限元修正的t r d 方法n 波兰的j a nt a l e r 、b o h d a n w e g l o w s k i 等人提出的瞬态热应力逆方法大大提高了计算所得热应力分布的精确 性吼 国内近年来也开展了大量工作，设计部门制定了管道应力计算规范火力发 东南大学坝j j 学位论文 电厂汽水管道计算技术规定( s d gj 6 9 0 ) ，用第三强度理论对应力分类，对不 同性态的应力采用不同的限定【2 4 2 ”。采用电子计算机用有限单元法或等值刚度法 等静力计算理论进行设计。在进行火电厂蒸汽管道的剩余寿命评估时，国内单位 ( 如山东电力科学研究院、武汉大学、武汉水利电力大学等) 一般采用对蒸汽管 道从外观检查、力学性能、材质鉴定试验、以及应力分析几方面分别检查，综合 考虑确定管道的安全性 t o - 1 6 。另外有些单位，如天津电力科学研究院、电力工业 部热工研究院以及西北电力试验研究院等，则对火电厂蒸汽管道进行高温应变测 试，以测试结果作为管道受力强度和安全性分析的依据 1 7 - 2 1 。 1 3 本文的工作 现场原位高温应变测试是确定蒸汽管道真实应力状态的主要手段。有限元分 析可用于研究主蒸汽管道全场应力分布，并可用于研究各种工艺因素对应力分布 的影响。然而有限元模型的正确性决定着其模拟结果的可靠性，因此，有必要依 据应变测试结果指导有限元建模。本文结合有限元和实验应力分析两种方法，利 用两种方法的优点，能够精确的得到管道的工作应力。应变测试和有限元模拟两 种方法，相辅相成，成为确定实际应力状态和应力分布缺一不可的手段。 本文以谏壁发电厂蒸汽管道蠕变寿命评估为背景，以有限元技术为手段，辅 以实验应力分析方法，开展了以下研究工作： 1 、高温结构部件原位应变测试技术研究； 2 、复杂应力状态下，管系结构有限元建模技术研究； 3 、内压、管道自重、温度等各种实际因子对火电厂主蒸汽管道一次、二次应力 影响的特征研究。 东南大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章高温应变测试技术研究 火电厂的主蒸汽管道、再热蒸汽管道，在实际运行状态时，直处在高温条 件下，必须采用高温应变测试，才能获得蒸汽管道的实际应力分布。高温应变测 试是确定高温管道实际应力状态的一种重要的实验手段。通过测试高温管道的应 变，进行实验应力分析，从而确定蒸汽管道的实际应力状态。 通常的应变测试，一般采用应变片电测法，该方法是将金属丝制成的电阻应 变片粘贴在构件的表面测点上，通过电阻应变片将构件表面的应变转化为电阻值 的变化，然后由电子仪器测得其电阻值的变化，根据一定的比例关系，即可得到 构件的应变值。 常温下的应变片测试系统主要由电阻应变片、电阻应变仪和记录器三部分组 成。本文实验所选高温应变测试系统和常温测试系统类似，但由于高温条件下进 行应变测量的工作温度与常温相差很大，所以有其特殊要求： 1 、选用适合于高温下工作的应变片： 2 、选用合适的应变片安装方式以及安装工艺； 3 、高温条件下，温度引起应变片及连接导线的热输出严重，故在组接测量电桥 时，必须考虑应变片及连接导线的温度补偿； 4 、处理数据时，为了减少温度变化引起的误差，须对温度影响进行修正。 2 2 高温应变片 自应变片出现以来，它的工作温度从室温不断向高、低温两个方向扩展。一 股将温度范围划分如下： 高温 3 0 04 c 以上 中温6 0 3 0 0 常温一3 0 6 0 。c 低温一3 0 。c 以下 通常所谓的高温应变片是指在中温和高温下使用的应变片。 东南大学坝l 学位论文 进行高温条件下的应变测量时，所测应变存在指示应变与机械应变、热输出 的之间的差别，它们三者的关系可用下式表示： 占f = 占+ f f 指示应变是由应变片测得的值。它是由应变仪的读数经过对应变仪与 所属设备的误差进行调整后得出的。 机械应变s 。，是由于试件中应力而引起的应变，应力是由于外载荷或由于 试件中的温度梯度而产生的。 热应变。当试件不受约束可以自由伸缩时，由于温度变化而产生的应变 ( 整个试件温度应是均匀的) 。热应变并不产生应力。 热输出f ，当应变片安装在某一线膨胀系数的试件上，如试件可以自由伸 缩并不受外力作用，在缓慢升( 或降) 温的均匀温度场内，由温度变化引起的指 示应变。热输出是试件的热应变和温度变化对应变片的综合作用引起的。 我们的目的是测量机械应变，如果能使热输出为零，9 2 1 j 指示应变即为机械应 变；反之，如果热输出不为零，即使应变仪本身无误差，其读数亦有误差。 高温应变片的组成和普通应变片一样，主要由敏感栅、基底、覆盖层及引线 组成，敏感栅用粘合剂粘在基底和覆盖层之间。 1 、敏感棚它是应变片将应变转换成电阻变化的主要元件。金属应变片其基 本原理是利用了金属丝的电阻应变效应。对于金属丝的电阻应变效应可用如 下公式表示： d rd ld dd a 百2 了+ 吉了 ( 2 _ 1 ) 2 、基底应变片的敏感栅通常是用粘结剂固定在基底上，基底具有保持敏感 栅一定形状和将试件应变传递给敏感栅的作用。 3 、引出线它是将敏感栅的电阻变化量引到与测试仪器相连的导线中的金属 丝。敏感栅与引线之问一般采用焊接方式连接。 4 、覆盖层通常是指覆盖在敏感栅上面，以防止敏感栅受湖、受腐蚀或受损 的粘结剂胶层。 另外，和常温应变片相比，高温应变片的热输出比较大，其灵敏系数随温度 东南大学硕士学位论文 变化，以及高温下机械滞后、蠕变、绝缘电阻等工作特性，比常温应变片项目多， 详见参考文献 2 1 ) 3 叭。 本文选用的应变片是美国i i l i g h t e c h ，】3 5 q 的高温应变片，具有热输出较小、 稳定性好、灵敏度高等优点，能完全满足火电厂蒸汽管道的测试要求。 2 3 测量电路 测量电路的作用是将应变片的电阻变化转换为电压或电流的变化。应变片电 测一般采用两种测量电路，一种是电位计式电路：一种是惠斯顿电桥( 简称电桥) 。 其中后一种应用广泛，本文实验采用桥式测量电路。 在桥式电路中，最常用的是惠斯顿电桥。惠斯顿电桥具有四个电阻( 见图 2 1 ) ，其中任一个都可以是应变片电阻，电桥的个对角接入输入电压u ，则另 个对角用来测量输出电压e 。电桥的一个特点是：四个电阻达到某一关系时， 电桥输出为零。这一特点使电桥能够精确测量微小的电阻变化。 图2 1 电桥 电桥( 图2 1 ) 由四个应变片r l 、r 2 、r 3 、r 4 组成，在电桥的的d c 对角 上，加桥压u ，a b 对角为输出端。根据电路分析，r 2 上的电压降为 ，。， r 3 上的电压降为【，。 、= 志 ( 2 2 ) 东南大学硕士学位论文 = 击u 输出电压e 是u 。和u 。之间的差值 e = 也。= 击u 一击u = 百r 面l r 3 - 画r 2 r 丽4 为了使测量前的输出为零( 即所谓“电桥平衡”) ，应使 r 1 月3 = r 2 r 4 在符合公式( 2 5 ) 的条件下，输出电压可用下式计算 ( 2 3 ) ( 2 5 ) e ：坐：( 一a r i 一一a r 2 + 些一些) u ( 2 6 ) ( r 1 + r 2 ) ”r lr 2r 3r 4 。 2 3 1 测量电桥的几种常用组成方法 针对测量电路中四个电阻的阻值关系，测量电路可分为以下几种情况 l 、对称情况( 即对于电源u ，j _ 访x q 称) ，r ，= r ：，r ，= r 。 此时( 2 - 6 ) 式可写为： e ：旦r 堕 4 、r ， ( 2 7 ) 通常只有两个桥臂接入应变片( 例如且，、r ：称为“半桥”) ，另外两个臂 为固定电阻( 无电阻变化，r 3 = a r 。= 0 ) 。 2 、列称情况，r l = r 4 ，r 2 = r 3 。 若令拿：堕：。，此时( 2 6 ) 式可写为 且lr 4 e - 兰 一a r i 一些+ 堡一一a r 4 1(2-8) ( 1 + 日) ”r ir 2r 3r 4 。 3 、全等情况，r i = r 2 = r 3 = r 4 。 此时输出电压公式与( 2 - 7 ) 式相同。若四个桥臂都是应变片( 一般称为 堕心 一 坐玛坐r 东南大学硕j 二学位论文 “全桥”) ，如将警= 彪e ，代入( 2 7 ) 式，得： e = 竽吨鸲咱) ( 2 - 9 ) 在实际的测试工作中，以全桥和半桥电路最为常用。本文实验采用两种测量 电路进行对比研究，其中n a s a 式电位汁技术效果比较理想。 2 3 2 温度影响及其补偿 在测量时，粘贴了应变片的被测构件总是处在一定温度的环境中。当温度发 生变化时，应变片将产生应变输出，这种由温度变化而引起的应变输出，称为 应变片的热输出。应变片的热输出是由应变计敏感栅材料的电阻温度系数和敏 感栅材料与被测试件材料之间线膨胀系数的差异共同作用、迭加的结果。一般 用温度每变化1 时的输出应变值来表示。 当环境温度变化出时，应变片的电阻变化量为 a r ，= r a + k ，( 风一。) a t 温度改变引起的应变片的电阻变化率为 等咄+ k ，剐 ( 2 _ 1 0 ) 所以，温度改变产生的热输出为 铲去( 等) = 扣坻( 风诅) r ( 2 - 1 1 ) 式中，盘敏感栅材料的电阻温度系数； 风试件材料的线膨胀系数( 1 。c ) ； 7 ，敏感栅材料的线膨胀系数( 1 。c ) ； k 。敏感栅丝的灵敏系数： r 应变片的电阻值( q ) ； k 应变片的灵敏系数。 即为电阻应变仪中显示出一个应变读数，其大小由式( 2 1 1 ) 确定。这个 东南人学f 0 = ：f j 学位论文 应变读数与由荷载作用而产生的应变读数叠加在一起，必然列测量结果产生影 响。热输出是静态应变测量中最大的误差源，而且应变计的热输出分散随着热 输出值的增大而增大。当测试环境存在温度梯度或瞬变时，这种差异就更大。 因此，理想的情况就是应变计的热输出为零，目前已有高温( 5 4 0 。c ) 条件下 的温度自补偿应变计出现。 尽管测试时采用温度自补偿高温应变片，但由于应变片的使用温度和常温相 差较大，温度的影响依然很大，为了消除温度产生的误差，可以采用桥路补偿 法( 或温度补偿片法) 来达到补偿的目的。 拧t p _ 二二三三二卜p 三三 聍 图2 2 温度效应的桥路补偿法 桥路补偿法的原理如图2 - 2 所示。桥臂a b 上所接的r l 是粘贴在被测构件上 的电阻应变片，称为工作片。桥臂b c 上粘贴的应变片r 2 是与r 】阻值相等，灵 敏系数和电阻温度系数也都对应相等的另一电阻应变片，它粘贴在与被测构件 材料相同但不承受载荷的物块上，并且和被测构件处于相同的温度环境中，称 为温度补偿片。 当被测构件在载荷p 的作用下发生变形时，若同时考虑温度的影响，r ，的 电阻变化量将是 月l = 只。+ 尺， ( 2 - 1 2 ) 式中：尺由荷载作用而产生的电阻变化量； 东南人学硼! ，l 学位论文 r ，由温度影响而产生的电阻变化量。 r 2 的电阻变化量只受温度的影响，即 r 2 = 凡， ( 2 - 1 3 ) 根据电桥输出端开路时输出电压的表达式( 2 。5 ) ，可以得出：假设测量电桥 采用半桥接法时，桥臂r 3 和r 4 都是应变仪内部的标准精密电阻，则电桥在图 2 2 所示的单臂工作状态下的输出电压为： ：旦坐( 2 1 4 ) 4r 式中，r = r t = r 2 为应变片的初始电阻值。由此可知，电桥的输出电压将只反映由 载荷作用而产生的电阻变化量a r 。，而不反映温度的影响a r ，。也就是说，应变 片的温度效应被补偿了。 当测量电桥采用全桥接法时，这一原理仍然适用。 2 4 测点及方位的确定 测点及方位的确定直接关系到测试结果的可靠性，在火电厂主蒸汽管道 的测试过程中，选用直管段作为测试对象，采用应变花进行测试。在通常的 应变测量中，在确定测点及方位时应该区别以下情况： ( 1 ) 如果测点的应力状态是单向的，那么，只需在该点沿应力方向粘贴一个工 作片，可以根据单向拉压的虎克定律计算出测点的应力 d = 占f( a ) ( 2 ) 如果测点的应力状态是二向的，事先又能够判定其主应力的方向，那么， 根据广义虎克定律 0 i ：之( 肛2 )o 2 ：去( 2 + 嵋) ( b ) 2 贵肛2 )2 贵( 5 2 + 嵋) 伯 ( 3 ) 如果测点的应力状态是二向的，且事先无法判定主应力的方向，那么，可 以采用三个应变片组成应变花测得。下面推导出应变花的测试原理。 东南大学硕士学位论文 蕊i d 图2 - 3 利用应变花测量一点处应力 如图2 - 3 所示，在测点处沿与某坐标轴x 夹角分别为a 、口：、的三个方 向，各粘贴一个工作片，待分y j r j 澳, q 得各方向的应变s 。、占。：与占。，后，通过计算 确定该点的两个主应力和主方向角。 在图2 3 中，设x o y 是在构件自由表面上任意选定的直角坐标系。由二向应 力状态的应变分析可知，如果已知构件在0 点处沿坐标轴方向的线应变s ，、e y 和 剪应变y 则该点处沿任意方向的线应变。为 铲半+ 孚c o s 2 c c + 堡2 咖z 口 ( c ) 这样则有 ：= + 三孚c o s 2 等s i n 2 a 占“l = ；一+ j 上c 0 3 2 口l + _ 尹s l n 2 a 1 ：；粤+ # c o s ， 孕s i n z 口： 占a 2 = 了二_ + 了二h c 0 8 2 酣2 + _ 尹s l n 2 口2 ：半+ 三譬c 。2 ”孕s i n 2 口， 5 。32 i + 。o s 2 口3 + _ 3 ( 2 1 5 ) 反之，如果已知占。，、s 。2 与s 。3 ，则可由( 2 1 5 ) 解出s ，、s ，和剪应变，。 另一方面，如果已知一点处的，、g ，和剪应变y ，。，就可以确定该点处的主 应变f ，、s ，以及主方向与x 轴的夹角，计算公式为 东南大学硕士学位论文 ：1 = 兰盟2 土2 厄j 了巧s ， ”。 ”7 ”1 t 9 2 a 。：lio = li 6 j 一6 yj 最后，根掘广义虎克定律式( b ) ，即可求出陔点的主应力( 3 - 。和盯：。 常用的应变花有直角应变花( 0 。4 5 。- - 9 0 。) 和等角应变花( 0 。- - 6 0 。 - - 1 2 0 。) 两种结构形式，分别如图2 - 4 a 和2 - 4 b 所示。本文在现场测试时，由于 测试构件为管道，所以采用直角应变花，直角应变花的主应变和主应力公式如下： 曼= 半圭瓜i 再瓦i ；i 了 ( 2 _ z a ) 詈 等士南瓜丽丽雨 池 最大主应力与0 。线的夹角q 为 t 9 2n = 壁! 二墅 ( 2 1 8 ) djf6 图2 - 4 应变花的结构形式 在本文的实验研究中，将蒸汽管道的直管段作为测试对象，测试过程中以直 角应变花进行测量。另外，应变花的安装角度对测试结果有一定的影响，需要进 行理论修正。 2 5 高温应变片的安装 应变片在测量系统中是关键性的元件，测量实验的成败往往决定于应变片安 东南大学硕十学位论文 装的好坏，所以应变片的安装方式以及安装工艺都是测量过程中的重要环节。 2 5 1 应变片的安装方式 通常，高温条件下使用的应变片安装方式有粘贴、焊接和喷涂三种，现 介绍如下。 1 、粘贴法 粘贴高温应变片的工艺和粘贴常温应变片的工艺类似，只是前者使用高 温粘合剂，其固化温度较高。高温粘合剂分为有机粘合剂( 高分子有机硅 ；q 脂、无机填料及溶剂配制) 和无机粘合剂( 磷酸氢铝等粘合材料，加入氧化 硅或金属氧化物等填料配制) 两类。粘贴法所用的粘合剂受一定温度条件控 制，且具有固化温度高及到定温度绝缘电阻下降急剧等缺点。 2 、焊接法 此法仅适用于安装金属薄片基底的应变片。安装时，采用点焊或滚焊将应变 片的金属片基底固定在金属构件上。用焊接法安装应变片操作简单，安装后不需 要进行固化处理，并且在安装前可以在高温下对应变片进行稳定化处理，稳定性 好。 3 、喷涂法 此法适用于安装临时基底式高温应变片。安装时，利用氧一乙炔火焰或等离 子火焰，将高纯度的氧化物( 如a 1 2 0 3 ) 喷涂于构件表面，并将应变片的丝栅固 定。喷涂法具有耐机械和热冲击性、韧性、绝缘性好等优点。 本文实验采用焊接法安装应变片，其使用温度可达7 0 04 c ，高于谏壁电厂主 蒸汽管道的工作温度，完全满足该类问题的研究。 2 5 2 应变片的安装工艺 应变片的安装工艺包括试件表面处理、应变片的粘贴、安装连接线、质量检 查等过程，每一过程的好坏都关系着实验结果的准确性与否。本文实验采用焊接 法将应变花固定在火电厂蒸汽管道上，下面就焊接法的安装工艺作详细介绍。 应变片的安装步骤如下所示： 东南大学碳【j 学位论文 构件打磨 表面清洗 用2 2 0 # 一4 4 0 # 粒度范围的砂纸对弹性体或构件表面进行打磨，或用 喷砂机对表面进行毛花处理。 用丙酮、无水乙醇、三氯乙烷、异丙醇等有机溶剂单方向清洗，并及 时擦干或用红外灯烘干。 画线定位：贴片部位可用3 h 绘图铅笔、针尖等标出淡淡痕迹作为定位标记。 应变计清洗：将应变计放在清洁的聚四氟乙烯薄膜上，用浸有少量无水乙醇的棉 签轻轻擦洗应变计表面。 应变计焊接：将焊接机的输出能量调整适当。焊接时对准位置，小心焊接，焊点 问距视焊点大小约为1 3 1 7 毫米，可交错焊并排，蚓距要均匀。 引线连接：对于焊端敞开式的无引线应变计，在应变计焊端下部1 2 到1 3 处用 2 0 w 、头部为圆锥形电烙铁快速焊接。 质量检查：质量检查项目包括应变计焊接前后电阻的变化、绝缘电胆以及应变计 下是否有杂质等。 防护处理：应变计防护可选用a z - - 7 0 9 胶，要求均匀涂刷。然后覆盖南大7 0 3 、 7 0 4 等防护胶。 2 6 测量数据处理 本次实验测试数据的处理采用编制小型数据处理软件，以实现数据的自动、 实时处理。常温条件下的数据处理办法，均适用于高温条件下的应变测量，但对 于高温应变测得的数据，还须考虑下列几方面的修正。 2 6 1 导线电阻修正 高温应变测量时，连接导线采用的合金线，其电阻率大，因而导线的电阻值 大，所以在处理数据时，必须对导线电阻进行修正。 东南人学耐! 上学位论文 测量导线与应变片是串联起来按入桥臂的，它们对测量的影响却具有不同的 性质。一方面，由于导线电阻值要比应变片的电阻值小很多，可以认为它不会改 变电桥的输出阻抗，因此也不会改变电桥与放大器之间的阻抗匹配关系；另一方 面，导线电阻不参与应变，它的存在相当于增大了桥臂的初始电阻值，它使桥臂 电阻变化率发生变化，效果相当于改变了应变片的灵敏系数。 对于半桥接法，如果应变片与补偿片分别用两根电阻值为y 的长导线接入电 桥，电桥工作臂的电阻变化率将为 生：丝。l( 2 1 9 ) 一x 一 、一， 尺+ 2 y r 1 卜三e r 因此，应变数的修正公式为 ：f l + 望) s ( 2 2 0 ) r 式中，。应变仪的原始应变读数； 2y 接入工作桥臂的导线电阻。 对于全桥接法，接在电桥输入回路上的两根长导线的电阻将使供桥电压 由风下降为i 笔，电桥的输出电压也按同一比值下降。这时，应变片 的读数修正公式为 占= 下r + 2 f ( 1 + 簪占 ( 2 - 2 1 )r 、 r 。 它与半桥接法时的式( 2 - 2 0 ) 相同。 2 6 2 热输出修正 采用自补偿式高温应变片进行应变测量时，尽管应变片本身具有自补偿结构， 但由于应变片的使用温度和常温相差较大，因而这类应变片的热输出值仍较大。 在处理数据时，必须根据测点的实际温度，按事先测定的热输出曲线进行修正。 设应变片在实际使用温度下的热输出值为。，则修正后的应变为 1 ， f ”= 5 f ，= f $ ( 1 + 等) 一s ， ( 2 - 2 2 ) 对于全桥或半桥焊接式应变片，虽然采用了温度补偿片，但由于补偿片基底 不象工作片基底那样和被测构件焊接在一起，因此当应变片基底和被测构件的线 东南大学坝_ 学位论文 膨胀系数不同时，仍有较火的热输出，列此也必须进行热输出修正。 2 6 3 灵敏系数修正 根据测点的实际温度，由应变片的灵敏系数温度变化曲线，查得应变片在该 温度下的真实灵敏系数k 【，修正后的真实应变为 。：型 ( 2 2 3 ) k 式中，k + 实际测量时应变仪的灵敏系数( 必须和应变片的热输出测定时使用 的k + 值一致，一般均取为k + = 2 0 0 ) ； e ”经过导线电阻和热输出修正后的应变读数。 2 7 本章小结 本章结合谏壁电厂主蒸汽管道测试项目，详细探讨了高温应变测试技术的具 体实验内容、方法和路线，并对高温应变和常温应变作了对比研究。 高温应变下的测试从应变片选择、测量电路的确定以及测量数据的处理等方 面部和常温应变测量存在较大的差异。高温应变测试必须选择一定温度条件下的 应变片，确定采用测量电路消除温度引起的测试误差，从安装测点方位和数据处 理两方面对测试结果进行修正，保证结果的真实性和可靠性。 东南人学坝士学位论文 第三章现场原位应变测试 现场原位应变测试是管道应力分析中重要的一个环节，它能使我们全面了解 管道的应力水平，分析受力强度，为管道的寿命评估工作提供科学依据。本章针 对沫壁电厂的主蒸汽管道的测试项目，从测试对象、测试过程、以及数据处理和 实验应力分析等方面对整个实验过程做了详细沦述。 3 1 管道的有关参数 管材牌号：x 2 0 c r m o v l 2 1 钢的许用应力：9 8 m p 。( 5 4 0 ) 工作温度：5 4 0 。c 3 2 测试仪器设备 管道尺寸：d 4 7 5 ，壁厚5 0 r a m 工作压力：1 5 m p 。 电阻应变仪：美国q u a n t e c h 公司生产的a dp c i 9 6 0 2 和调理q t c3 0 0 组成 的应变测试仪。 电阻应变片：美国h i g h t e c h ，1 3 5q ，高温应变片。 3 3 测试工作流程 测试工作流程如图3 - 1 所示。 东南大学硕士学位论文 3 3 测量电桥 图3 1 测量工作流程 测试过程中采用半桥和全桥对比的方法，并对此进行了研究，最后测量电 桥采用惠斯顿半桥电路，原理如图3 2 所示。 东南人学 ! 卜学位论文 图3 2 惠斯顿半桥电路图 ( s 1 ：工作应变片；s 2 ：温度补偿片；r i ：固定电阻；r 2 ：固定电阻。) 3 4 应变片布置 本次实验对蒸汽管道的直管段进行测试工作，应变片布置原则是能够反映管 系的应力水平，通常选在管系受力较大的部位。测试时采用直角应变花，应变片 布置如图3 3 所示。 东南大学埘i 二已学位论文 图3 3 主蒸汽管道测点应变片布置 3 5 测量结果和分析 测试时间为2 0 0 2 年6 月2 3 日1 时到6 月2 4 日1 1 时，共计3 4 小时。 3 5 1 原始数据处理 原始数据处理包括连接导线电阻修正、应变片热输出修正、应变片灵敏系数 修正等，这些修正都在数据处理软件中处理。下面将主要测试数据及检修公司提 供的蒸汽温度、压力用曲线的形式表示，如图3 - 4 3 6 。 东南犬学硕士学位论文 1 6 1 4 = 1 2 垦 1 0 山 型8 r 噬 6 f ： 摊 2 0 埘 戗 噬 一 卜 埘 明 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o ，“+ 、 “ 。f 一一 飞一 、h1 1 | o1 0 0 01 5 0 0 时闻t( 分钟) 图3 - 4 主蒸汽管道出口蒸汽压力随时问的变化 山 一一一哪 k ，1 n 蕊奎 j t 芦 05 0 0 1 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 时闻tf 分钟) 图3 5 主蒸汽管道蒸汽温度随时问的变化 2 1 东南大学硕士学位论文 3 5 0 3 0 0 2 5 0 郇 = 一 。2 0 0 墅 w 1 5 0 倒 1 0 0 5 0 o 越 ， i ，t i jj l l - i i 脚 删 i 山。i i i | |涮删 哪 r ， 叩伊 m 1 。 f 泰 f 02 5 0 5 0 0 7 5 01 0 0 0 1 2 5 01 5 0 01 7 5 0 2 0 0 02 2 5 0 时间t( 分钟) 图3 - 6 主蒸汽管道沿轴向应变随时间变化 3 5 2 测量结果的修正计算 1 、热输出标定 由于材料和制造工艺的细微差异，每一枚高温应变片的热输出不同，亦即， 不同的高温应变片在相同温度下的电阻值差异和相同应变片在不同温度下的电 阻值差异。 在高温应变测试前，必须作出每一片应变片的热输出曲线，并在数据处理软 件中修正热输出误差。 东南大学“5 ii 学位论文 2 5 0 0 2 0 0 0 u 3 15 0 0 v 掣n u 划 世 5 0 0 0 【1i rlil l ll i 、 乒 li l【 l， l l lj ij i 1 斗 【 i l l r fi， lil jl旷 l 再一 j i 一 l 1 矿 l ii lli1l，l ff，f i lyl li i1 l ，l ll lji； r 矿 翕导2 曷墨垦曼呈墨量鸯曼量量量蚕曼萤毳莩孽莩蓦謇营量量 温度t ( ) 图3 7 高温应变片的典型热输出曲线 2 、温度补偿 由于应变片基材与试件母材热膨胀性能的差异，在高温应变测试中必须进行 温度补偿。且前的高温应变片尚无温度自补偿功能，因此，可以采用惠斯顿半桥 进行补偿，亦即将作为温度补偿片的应变片焊接在与管道母材材质相同且能自由 膨胀的金属块上。 3 、导线补偿 由于高温导线电阻值较大，而且随温度变化较大，因此在现场测试前，确定 导线阻值，并作记录，在数据处理软件中进行导线电阻修正。 4 、热电耦 由于高温应变片及导线的性能与温度相关，因此，高温应变测试中必须安装 热电耦实时测试测点的温度。 3 5 3 实验应力分析 根据实验应力a , j * r 4 关知识，可得高温应变片处的主应力计算公式为 旷e 精+ 病瓜丽币丽 东南大学硕一0 学位论文 铲4 褊一病瓜习可丽 ( 7 - 。、盯：为主应力，白、s 。、。，为组成应变花的三个应变片的应变值 ， 州 圳n 砌叫 ji 一 哪 抽 槲m 灯1 孵 盯” 7 l- f i r 讯 一孓 02 5 05 0 07 5 0i 0 0 01 2 5 01 5 0 0 1 7 5 0 2 0 0 02 5 0 0 时间t( 分钟) 图3 - 8 主蒸汽管道沿轴向应力随时问的变化 3 5 4 测量结果分析 经过现场高温应变测试和实验应力分析，可得主蒸汽管道管外壁最大主应力 为5 3 ，2 m p a ，小于x 2 0 c r m o v l 2l 的许用应力9 8 m p a ( 5 4 0 * c ) 。 3 6 本章小结 本章针对谏壁电厂主蒸汽管道的测试项目，从测试仪器、测试流程以及数据 处理等几方面进行了仔细探讨，对测试结果进行分析，得到了蒸汽管道工况下的 轴线应力变化曲线。从蒸汽管道的轴向应力变化曲线来看，测点处的应力未超过 管道的许用应力，能够安全工作。另外，应变测试工作仅反映了管道中某一点处 的应力特征，为取得管道的全程应力分布特征，必须采用布簧更多测点的办法， 无疑会增加检测的成本，增加了检测的难度。 非 稻 蛤 如 0 0 0 n 量一 b 磐r 剧 东南大学坝士学位论文 第四章有限单元法基本原理 有限单元法是一种十分有效的数值分析方法，从它一开始发展，就1 1 及引了人 们的浓厚兴趣。早在二十世纪五十年代 算管系，随着计算机技术的进一步发展 人们开始运用结构分析的矩阵方法来计 人们对有限单元法研究得更加深入，同 时也使管系的柔性计算前进了一步。我国设计部门制定的管道应力计算规范火 力发电厂汽水管道计算技术规定( s d gj 6 9 0 ) 提倡用有限单元法对管系进行设 计计算。目前，有限元法已经广泛地应用于管系设计、应力分析等领域。本章就 火电厂蒸汽管道热应力分析计算所用到的有限元理论作一下探讨。 4 1 概述 有限单元法的基本思想早在4 0 年代初期就有人提出，但真正用于工程实践则 是在电子计算机出现以后。“有限单元法”这一名称是1 9 6 0 年美国的克拉夫 ( c l o u g h rw ) 在一篇题为“平面应力分析的有限单元法”论文中首先使用的。 4 0 年来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题， 由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材 料扩展到塑性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电 磁学等领域。 有限单元法计算的思路和作法可归纳如下： 1 连续体的离散化 将连续体划分为有限个离散单元。离散单元的形式很多，如二维问题，有三 角形、矩形、四边形等：三维问题有四面体、棱柱体、六面体等。 2 选择单元位移函数 假发的单元位移函数只能近似的表示真实的( 精确的) 位移场，通常假定为 多项式形式。如弹性平面问题三角形单元，最简单的位移函数可以选为线性 多项式。 3建立单元刚度矩阵 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及含义等，找出单元结