（机械设计及理论专业论文）热力管系风险评估的方法研究.pdf

一 颤 ， 熏 l 声明尸明 i l l l lli ii i i j i 1 l l l l l l l l li ll i f y 17 8 5 4 6 4 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文热力管系风险评估的方法研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外i 论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他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对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：独圣垦! 垂 日期：独2 ：主：1 5 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日 期： i 瓠， i j 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 针对目前火电厂热力管道金属定检问题，本文对热力管系进行力学分析，得到 各种载荷作用下，热力管系局部受力的特征，并据此提出了检修指导方案。研究各 种因素对管系风险值的影响，提出热力管系风险评估的一般方法。 论文以某机组主蒸汽管系为研究对象，建立分析模型。对热力管系进行静力学 分析，选择应力最大的弯头部位，建立三维有限元模型，考虑不同约束条件、裂纹 缺陷、椭圆度和壁厚不均匀等因素，计算得到其应力。对热力管系进行动力学分析， 研究弹簧阻尼器刚度和位置对管系固有频率的影响，得到利用最少阻尼器改变管系 频率来避开激振源频率的方案。分析影响热力管系安全性的各种因素，根据应力分 析结果和其他参考条件，给出一种热力管系风险评估的方法。 关键词：热力管系，局部应力，管系振动，风险评估 a bs t r a c t a c c o r d i n gt op r o b l e m so fc u r r e n tm e t a lr e g u l a re x a m i n a t i o ni nt h et h e r m a lp o w e r p l a n t ，t h et h e r m a lp i p es y s t e mi sm e c h a n i c a la n a l y s e dt oo b t a i nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e r m a lp i p es y s t e m sp a r t i a ll o a d e db e a r i n gu n d e rv a r i o u sl o a d si nt h i sp a p e r s o g u i d a n c es c h e m e sf o re x a m i n a t i o nc o u l db ep r e s e n t e d t h e n ，t h er o l eo fe a c hf a c t o ri n t h ep i p es y s t e mr i s kv a l u ei sr e s e a r c h e da n dag e n e r a lm e t h o do ft h e r m a lp i p es y s t e m r i s ka s s e s s m e n ti ss e t i nt h i sp a p e r t h em a i ns t e a mp i p es y s t e mo fs o m eu n i ti sc h o s e na st h er e s e a r c h o b j e c tt ob u i l da n a l y s i sm o d e l t h et h e r m a lp i p es y s t e mi sa n a l y z e di ns t a t i ct oc h o o s e t h el a r g e s ts t r e s sb e n dt or e s e a r c h t h e3 - df i n i t ee l e m e n tm o d e li sb u i l ta n dt h ed i f f e r e n t c o n s t r a i n tc o n d i t i o n ，c r a c kd e f e c t ，e l l i p t i c i t ya n du n e v e nw a l l - t h i c k n e s sa r ec o n s i d e r e dt o c o u n to u tt h es t r e s s t h e nt h et h e r m a lp i p es y s t e mi sa n a l y z e di nd y n a m i ct or e s e a r c ht h e i n f l u e n c eo nt h ep i p es y s t e m sn a t u r a lf r e q u e n c yb yt h es t i f f n e s sa n dt h ei n s t a l l a t i o n p o s i t i o no fs p r i n g d a m p e r t h es c h e m ec o u l db ep r e s e n t e dt h a tc h a n g i n gt h ep i p es y s t e m f r e q u e n c y t oa v o i dt h ef r e q u e n c yo fv i b r a t i o ns o u r c ew i t ht h el e a s ts p r i n g d a m p e r a tl a s t ， t h er i s kf a c t o r st h a ti n f l u e n tt h es a f e t yo ft h ep i p es y s t e ma r ea n a l y z e d a n dt h er i s k a s s e s s m e n tm e t h o do ft h ep i p es y s t e mi sp r e s e n t e db a s e do nt h es t r e s s a n a l y s i sr e s u l ta n d 0 t h e rr e f e r e n c ec o n d i t i o n s z u g u oz h a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f z h a n g q iw a n g k e yw o r d s ：t h e r m a lp i p es y s t e m ，p a r ts t r e s s ，p i p es y s t e mv i b r a t i o n ，r i s ka s s e s s m e n t 一 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章前言l 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 研究的目标、方案和技术路线4 1 3 1 研究目标4 1 3 2 研究方案4 1 3 3 技术路线5 第二章管系建模及弯头选择6 2 1c a e s a ri i 软件功能6 2 1 1 管系输入6 2 1 2 静态力学分析7 2 1 3 动态力学分析7 2 2 单元数对管系计算频率的影响8 2 3 管系模型的建立：9 2 4 选择应力最大的弯头l o 第三章8 # 机主汽管道弯头应力分析1 l 3 i 管道的物性参数1 1 3 2 确定各时刻载荷参数1 1 3 3 一端完全约束时弯头有限元分析1 2 3 3 1 有限元模型1 2 3 3 2 载荷计算1 3 3 3 3 应力分析及结果1 4 3 4 两端轴向约束时弯头有限元分析1 7 3 4 1 有限元模型1 7 3 4 2 载荷计算1 8 3 4 3 应力分析及结果一1 8 3 5 带裂纹两端轴向约束弯头应力分析2 1 3 5 1 裂纹弯头有限元模型2 1 华北电力大学硕士学位论文目录 3 5 2 裂纹弯头热载荷计算2 2 3 5 3 裂纹弯头在内压力和热载荷作用下的应力分析及结果2 2 3 6 初始椭圆度和厚度不均对两端轴向约束弯头应力的影响2 4 3 6 1 初始椭圆度和厚度不均弯头参数：2 4 3 6 2 初始椭圆度变化对弯头应力分布的影响2 4 3 6 3 壁厚差变化对弯头应力分布的影响2 6 3 6 4 初始椭圆度和壁厚差对弯头应力分布的影响2 8 3 7 本章小结3 1 第四章管系振动规律研究及优化安装阻尼器3 3 4 1 激振频率及共振规律3 3 4 1 1 激振频率数据采集分析仪介绍一3 3 4 1 - 2 激振频率及共振曲线规律3 4 4 2 阻尼器刚度对管系自然频率的影响3 4 4 2 1 阻尼器型号及刚度3 4 4 2 2 阻尼器刚度对管系自然频率的作用3 5 4 2 3 阻尼器刚度对管系自然频率的影响规律。3 6 4 3 阻尼安装位置对管系自然频率的影响3 6 4 3 1 阻尼安装位置按照第一阶频率下的振幅由大到小顺序排列3 6 4 3 2 阻尼安装位置按照第二阶频率下振幅由大到小顺序排列j 3 7 4 3 3 阻尼安装位置对管系频率的影响规律3 8 4 4 优化安装管系阻尼器3 9 4 4 1 优化变量及目标3 9 4 4 2 优化约束条件3 9 4 4 3 阻尼器优化选择过程j 3 9 4 4 4 优化结果方案4 0 4 5 本章小结4 l 第五章管系风险评估方法4 2 5 1 风险评估全部因素4 2 5 1 1 运行因素4 2 5 1 2 状态因素4 2 5 1 3 外力因素4 3 华北电力大学硕士学位论文目录 5 1 4 泄漏影响因素4 3 5 2 管系风险评估值计算4 3 5 3 四种因素值计算4 3 5 3 1 运行因素值计算4 3 5 3 2 状态因素值计算4 5 5 3 3 外力因素值计算4 9 5 3 4 泄漏影响因素值计算4 9 5 4 本章小结5 0 第六章总结5 l 参考文献一5 3 致谢5 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 8 ， 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章前言 随着国民经济的发展，工业化的迅速提高，我国用电需求也在急剧增长，装机 容量快速提高。继2 0 0 5 年全国电力装机突破5 亿k w ，在不到1 年的时间内，全国电力 装机再上新台阶，突破了6 亿k w ，截至2 0 0 6 年底，全国发电装机容量达到6 2 2 0 0 万k w ， 同比增长2 0 3 ，火电达至1 j 4 8 4 0 5 万k w ，约占总容量7 7 8 2 ，同比增长2 3 7 【1 1 。 2 0 0 7 年我国发电生产能力再创历史新高，电力装机突破7 亿k w ，截止2 0 0 7 年底，全 国新增装机容量1 0 0 0 9 万k w ，总量达到7 1 3 2 9 万k w ，同比增长1 4 3 6 ，其中火电新 增8 1 5 8 3 5 万k w ，总量达到5 5 4 4 2 万千瓦，约占总容量的7 7 7 3 ，同比增长1 4 5 9 【2 1 。 装机容量增长的同时，随着蒸汽温度和压力的提高，电厂的效率在大幅度提高，供 电煤耗大幅度下降，相关数据如下： 表1 1 蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系 序号 机组类型蒸汽压力蒸汽温度电厂热效率供电煤耗 l 中压机组 2 9 4 - - - 4 9 m p a4 3 5 2 7 4 6 0 9 k w h 2 高压机组 7 8 1 0 8 m p a5 1 0 3 1 3 9 0 9 k w h 3 超高压机组 1 1 8 1 4 7 m p a5 3 5 3 7 3 6 0 9 k w h 4 亚临界机组 1 5 7 1 9 6 m p a5 4 0 4 0 3 2 4 9 k w h 5 超临界机组 2 2 1 2 7 o m p a5 6 7 4 2 3 0 0 9 k w h 6 高温超临界机组 2 5 o m p a6 0 0 4 4 2 7 8 9 k w h 7 超超临界机组 2 7 m p a6 0 0 4 6 2 5 6 9 k w h 8 高温超超临界机组 3 0 0 砌a7 0 0 5 7 2 1 5 9 k w h 9 超7 0 0 1 2 机组 超7 0 0 6 0 2 0 5 9 k w h 注：发电煤耗用标煤量统计，标煤量是一个统计折算标准，1 k g 标煤的发热量为7 0 0 0 大卡。 从表1 1 中的数据可以看出，发展大容量、高参数机组、提高电厂监控水平及运 行管理水平是提高热效率有效手段，所以在发电总量增长的同时，我国燃煤电站主 力机组的容量和参数不断提高。华能玉环电厂、华电邹县电厂、国电泰州电厂共7 台百万千瓦超超临界机组的相继投运，标志着我国已成功掌握世界先进的火力发电 技术，电力工业已经开始进入“超超临界”时代【2 1 。 随着大机组参与调峰和超超临界机组投产运行，使得管道的工况更加恶劣，对 锅炉监控水平和安全性提出了更高的要求。发电机组的非计划停机大部分是由锅炉 事故引起的，据电力部1 9 9 0 年的统计【3 1 ，全国大容量发电机组中由于锅炉事故而引 发的非计划停机时间占全年总停机时间的5 0 以上，近年又有上升趋势，其中因锅 华北电力大学硕士学位论文 炉搿四大管道”( 主蒸汽管道、再热蒸汽管道热段、再热蒸汽管道冷段和给水管道) 事故而引起的非计划停机时间占全年总停机时间的百分比分别为：3 0 g m w 机组 3 8 1 、2 0 0 m w 机组3 7 8 、1 2 5 m w 机组4 2 0 、i o o m w 机组3 4 o 。锅炉“四大管 道一问题一直占事故原因的首位，成为影响机组安全运行的主要因素，经济损失巨 大。在工业发达国家中也有类似的情况，管道事故是造成火电厂紧急停机的主要原 因。 锅炉“四大管道 事故主要由环境、焊缝强度【4 j 、腐蚀【5 j 、冲蚀f 6 j 、载荷f 7 l 和结 构【8 l 【9 】产生的应力等因素引起，据有关专家估测目前我国机组“四大管道支吊架 因长期失调、失载，6 0 7 0 的管道应力处于非正常状态【加l ，由此引发的事故屡见 不鲜。河北某电厂2 0 0 1 年出现了炉顶吊架因管系受力不均导致断裂的现象，另外， 河北另一电厂也出现了因水击导致管系蹋落，过热器联箱管座角焊缝因为管系设计 问题出现连续开裂【1 1 j 。强烈的管道振动会使管路附件特别是管道的连接部件发生松 动l l 引，轻则引起泄漏，重则由破裂而造成严重事故。在国内外，由于管道振动造成 的泄漏事故时有发生。 现有的金属定检方法，存在着检验项目针对性差，重视内部检验、轻视外部检 验，重视仪器检验，轻视宏观检查等问题。在制定检验项目时，缺乏对锅炉设备的 检修、运行状态及同类型机组常见缺陷等特性分析，只是按 电站锅炉压力容器检 验规程要求逐条罗列，忽略了规程中搿可根据设备使用情况和同类型设备故障特 点确定检验大纲一的原则。由于所罗列的检验项目多，针对性差，常因工期、资金 等因素的制约而无法按计划完成对重点部位的检验，甚至出现某些部位多次重复检 查而某些部位多年未进行检查的非正常现象【1 3 j 。 目前“定检一中出现的问题，使得缺陷检查存在着很大的随机性，常常导致最 需要检查的部位未必得到检查。所以针对管系的特点，对管系进行静态应力分析， 预测应力水平和分布，确定最薄弱环节来指导检修，落实定检相关规程中“可根据 设备使用情况和同类型设备故障特点确定检验大纲 原则，提高检查的准确性，是 十分必要的。 考虑力学因素提出各种方案，解决定检中盲目性，提高了缺陷的被检率，可以 减少缺陷引发的事故。但是，管系破坏受多种因素影响，同时定检有着时域性，导 致很多事故在机组运行中发生，所以要建立一套理论来预测各种因素的风险作用， 评估整个管系在运行过程的破坏风险，将防一与“检一结合起来，对热力管系的 安全将有着重要的意义。 1 2 国内外研究现状 锅炉管道失效已成为影响电厂安全、经济运行的重要因素，近年来，有很多科 2 华北电力大学硕士学位论文 技工作者应用解析法 t 4 l 1 5 1 、传递矩阵法【1 6 l 和有限元法【1 - 2 4 1 对管系进行了研究。其中解 析法只能用于比较简单的管道。传递矩阵法可以应用于略微复杂的管道，其优点是 工作量小，但应用范围也较小。有限元法可以应用于比较复杂的管道，研究者大多 采用此方法瞵l ，但是工作量很大，用此方法对局部管道进行分析，可以避免管道整 体分析时的庞大工作量。由美国c o a d e 公司研发的压力管道应力分析专业软件 c a e s a ri i ，采用国际上通用的管道设计规范，可以对整体管道进行静态和动态分 析，使用方便快捷，分析准确，近年来被广泛应用到整体管道分析上。广东沙角发 电总厂的管世强等人采用组合单元法开发的管系应力计算程序，具有计算速度快、 精度高等优点【m l 。 在管系振动研究方面，上海交通大学的张智勇等人采用特征线法，利用经典水 锤与扩展水锤模型【2 6 j 分别对一流液直管管系在不考虑固液耦合和考虑固液耦合两 种情况下的轴向振动响应进行计算，得出固液耦合作用对充液管系振动有明显影响 的结论【2 7 。2 9 1 。东南大学的谭平等采用有限元建模方法，分别考虑了管系的复杂支承、 管系设备、地震、安全阀排汽、汽流脉动和水击力等因素对管系振动的影响，计算 出各种激振下管系产生的位移和转角幅值等动力响应幅值，得出地震、安全阀排汽、 汽流脉动和水击对管系动力特性有重要影响的结论，并在此基础上提出调整模态频 率、振型参数、改变支承和弯头角度等相应的消除措施【3 0 3 4 1 。福州大学的薛玮飞等 也采用有限元的方法对复杂管系气柱固有频率进行了计算【”】。华中理工大学的黄玉 盈【3 6 1 、梁波1 3 7 】等人，北京航空航天大学的李琳【3 8 l 对输液管的非线性振动、分叉与混 沌【3 9 旬】进行了研究，哈尔滨工业大学王世忠等人也用有限元对两端简支直管道【4 8 】 和三维空间管道【4 9 】的振动特性进行过理论研究，西安交通大学的曹明、徐健学等对 2 0 0m w 模型堆的螺旋管进行过简化分析【5 们。华北电力大学的赵鹤翔以有限元法分 析输送流体管道流固耦合振动的单元质量矩阵、刚度矩阵和科里奥利力引起的阻尼 矩阵，给出了系统运动方程，并对简单的两端简支直管道进行分析【5 1 】。 从七十年代开始，专家系统在世界上发达国家逐渐得到开发和应用，截止1 9 8 7 年5 月已有6 8 个专家系统用于电力系统，其中美、日各占2 6 5 在将专家系统运用于 锅炉运行优化和故障诊断方面，美、日等国已进行了多方面的研究，已开发出多种 系统实机运行。八十年代末期，以美国电力研究院为首成立了一个由设计、研究、 制造、运行等方面的专家组成的工作小组，专题讨论在电站锅炉中开发应用人工智 能专家系统的问题，目前已开发出电厂热效率诊断专家系统和锅炉管子失效诊断专 家系统。国内的锅炉故障诊断专家系统的研究起步较晚，目前仍处于研究、开发、 试用阶段【5 2 】1 5 3 】。近年来，a n s y s 有限元分析软件【5 4 】被广泛应用来分析三通【5 5 1 、弯 头【5 6 j 等管道局部应力。 在热力管系风险评估问题上，国内学者从事过一些具体问题的安全性评价，来 预测结构的剩余寿命。目前电厂高温锅炉管道的寿命评估方法主要有持久强度法、 3 华北电力大学硕士学位论文 蠕变损伤法和蠕变曲线逐步外推法，其中持久强度法可靠性差，蠕变损伤法及蠕变 曲线逐步外推法可靠性较高【5 7 1 。王世圣等通过化学成分分析、常温力学性能试验及 金相显微组织观察，对运行多年的蒸汽炉管的安全性做了评价【5 8 l 。柯文石等从材料 和结构角度对蒸汽管道的安全性和寿命进行了评估1 5 9 j 。廖宏楷等分别建立锅炉四管 的剩余寿命评估计算模型，为锅炉安全运行及开展四管状态检修提供技术依据i 删。 李萌盛等推算出管道剩余壁厚、运行时间与使用寿命的函数关系式，并将其作为对 管道寿命评估的一种简单方法，发现管壁温度是影响管道使用寿命的重要因素【6 。 总之，目前国内系统研究管系评估方法较少，大多数研究都是考虑一种或是几种因 素对管系寿命的作用，而不考虑运行管系的风险值。 。 要分析实际复杂的电厂管系，有限元法可靠，但是工作量大，不易实施。采用 c a e s a r i i 软件分析方便快捷，但是对于管道的局部分析不够精确。专家系统反应 迅速，但是电厂环境千差万别，不断变化，程序化的专家系统很难及时修正，影响 分析结果的可信度。全面准确地评估运行管系的风险，需要综合考虑各种因素，研 究实际管道应力状况作为判据，结合概率理论和经验数据，来判断管系潜在的损失。 1 3 研究的目标、方案和技术路线 1 3 1 研究目标 ( 1 ) 针对当前热力管系定检中的盲目性，通过力学分析给出了管系局部应力 分布和整体振动规律，提出定检建议和振动问题解决方案 ( 2 ) 将力学分析结果作为应力等因素的判据，建立热力管系风险评估方法， 将风险量化来分析和比较，为风险管理的科学决策提供依据。 1 3 2 研究方案 ( 1 ) 采用压力管道应力分析专业软件c a e s a r i i ，根据管系中零部件的受力及 约束，在软件中选用最接近实况的建模手段，逐步建立整个管系模型，计算管系静 态和动态受力。 ( 2 ) 用有限元法对管系薄弱环节进行局部静力分析，根据实际启机参数，结 合约束状况，计算出各个阶段热载荷、内压力载荷和管系结构载荷分布对弯头的应 力作用，得到多种共同作用下弯头的应力分布规律。考虑弯头的裂纹、初始椭圆度 和壁厚不均缺陷，预测最危险点；联系实际对最危险点做重点处理。 ( 3 ) 对管系进行动力分析，得到管系的自然频率，测量与管系连接不可控振 源激振频率，通过对管道结构动力特性及其动态响应的分析研究后，就能针对管系 振动进行精心设计，增加阻尼改变管系固有频率，使之避开机组激振频率共振区， 避免管系共振。在弹簧刚度和安装位置受限环境下，需要提供一种优化方法，得到 4 华北电力大学硕士学位论文 一套安装较少弹簧达到改变管系频率避免共振的方案。 ( 4 ) 考虑管系所要考虑的风险因素，根据应力分析结果，结合其他判断条件， 利用概率统计原理，给出整个管系风险评估方法。 1 3 3 技术路线 技术路线如下图1 - 1 所示。 图1 - 1 技术路线图 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章管系建模及弯头选择 2 1c a e s a r i i 软件功能 2 1 1 管系输入 管道应力分析专业软件c a e a r i i 是美国c o a d e 公司研发，采用国际上通用的管 道设计规范，可以对整体管道进行静态和动态分析。静态分析方面，它可以进行压 力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算、管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移 荷载作用下的二次应力计算、管道对设备作用力的计算、管道支吊架的受力计算和 管道上法兰的受力计算。动态分析方面，它可以进行管道自振频率分析、管道强迫 振动响应分析、往复压缩机( 泵) 气( 液) 柱频率分析和往复压缩机( 泵) 压力脉 动分析 软件管道参数输入界面如下图2 1 所示，软件建立管系模型思路是：根据结构、 约束条件和边界条件变化，将管系划分为多个管道单元，每个单元管道用起点和终 点的向量差来表示，管型参数是独立的。 ：嚣一? 裟一一；嚣，= 1 ：警；：墨 w r 程1 张r 1 7 * 葛n 薛r 卜；鬻，1 群胃符r 、m o + i f * r n i p + f _m ；r “ - j , l t t + 强0 一l l g ”：“f j 缸r 一巩渐f + r # 1 r 耳芑1 蹄产r 再矿”? 譬苒r 稿r 3 c r 图2 - 1c a e s a ri i 软件管系输入界面 软件提供各种材料的物理参数数据库，输入界面除了各种功能工具外，主要包 括数据区域、辅助数据区域和三维模型区域，此外，在单元列表中也可以方便地修 改各参数数据，各区域功能主要有： ( 1 ) 数据区域：包括管系各单元两端的节点号，单元长度，单元方向余弦， 管道型号，运行条件即温度压力数据，特殊零部件信息，边界条件，管道材料及其 6 华北电力大学硕士学位论文 弹性特性和密度等。节点号可以自定义，软件提供了5 种特殊零部件输入，即弯头、 大小头、刚体、三通和活接头，对安装在管系上只提供质量而对管系结构没有影响 的部件或设备，均用刚体来模拟。同时，软件提供5 种边界条件和3 种载荷条件，结 合温度压力数据输入，可以准确建立整个管系模型。 ( 2 ) 辅助数据区域：包括特殊零部件和边界条件的具体参数输入，如法兰型 号、弯头型号及弯曲半径、刚体质量、约束类型、位移大小、力和载荷的数据等。 ( 3 ) 三维模型区域：管系的三维显示区域，可以直观体现管系结构，组成管 系的单元可以在单元列表区域罗列出来。 2 1 2 静态力学分析 载荷工况决定了管系静态力学受力水平和分布，c a e s a r i i 软件静力学分析输 入界面如下图2 2 所示，包括工况编辑、工况选择、风载和波载输入，静态力学分析 可以得到管系各节点处所受的力、应力和位移，以及边界条件处所受的力和位移。 图2 - 2 软件静力学分析输入界面 工况编辑中自重、温度、压力、实验水压和吊架载荷等因素均可以自由组合， 可以根据具体情况，将主要影响因素或是重点研究因素纳入计算，而不考虑其他因 素。同时，两种工况可以加减，得到多种因素共同作用下的复杂工况，或某几种因 素对管系静态力学的作用。在工况选择中可以通过选择多种工况，在一次计算中算 出各种工况下的静态力、应力和位移。 2 1 3 动态力学分析 管系振动的振型及频率与激振力大小、频率谱、集中质量和阻尼等密切相关， 软件动态力学分析输入界面如下图2 3 所示，可以进行的动态力学计算包括模型分 析、谐振分析、地震谱激振、卸载谱激振和水锤冲击谱激振等，集中质量、阻尼和 控制参数等在以上各种动态分析中均有输入。动力学计算可以得到管系的自然频 7， 华北电力大学硕士学位论文 率、谐波频率、各种频率下的振型和管系节点的振幅和应力等。 图2 - 3 软件动力学分析输入界面 模型分析是简单地从管系模型振动中提取出自然频率和振型，没有外载荷输 入谐振是分析管系在固定频率、力和位移激励下的响应，包括各种响应频率下的 振型。地震谱泛指部分或整个管系在同一方向激励下响应谱，软件提供了几种现有 的地震谱，可以直接输入。为了用力谱理论来解决安全阀卸载问题，软件提出卸载 谱，要分析管系安全阀载荷，首先要知道载荷的力时间曲线，将其转化为力谱，可 以得到实际的力大小。此外，以上各种动力学计算，均有集中质量、阻尼和各种控 制参数输入，使模拟管系振动更精确，并且可以得到所要关注的频率下的振型及受 力。 2 2 单元数对管系计算频率的影响 将管系划分为多个管道单元在c a e s a r i i 软件中建立模型，划分的单元数可以 有多种选择，为了研究单元大小对管系频率的影响，选取型号为口 7 6 x1 0 m m ，材 料为1 2 c r l m o v ，弯头半径只= 1 2 0 m m 的弯头，分别将其划分为4 、8 和1 6 个单元，计 算得到不同单元数下该弯头的前9 阶自然频率如下表2 1 所示。 表2 - 1 不同单元数下弯头的自然频率 频率阶次 4 个单元时频率m z ) 8 个单元时频率m z )1 6 个单元时频率( h z ) l2 6 5 8 1 72 7 5 7 9 72 8 0 3 7 7 28 1 4 4 9 28 5 8 8 38 4 9 5 5 38 8 8 4 7 79 4 0 7 8 69 2 8 7 2 5 41 1 6 8 8 8 81 2 4 5 9 2 41 2 3 3 2 5 5 1 3 9 4 2 1 21 4 7 3 9 2 21 5 0 0 3 0 8 6 2 1 3 0 1 12 0 9 8 2 3 32 1 9 4 6 8 5 7 2 1 8 1 6 3 32 2 0 1 2 9 72 2 6 2 2 0 2 82 5 9 6 2 2 92 3 6 6 0 4 82 4 9 3 7 0 5 93 0 4 3 4 9 32 9 1 0 5 0 12 9 4 8 8 3 1 8 华北电力大学硕士学位论文 计算以上三种单元数下各阶频率值的相对差比值，设厶， 分别为m 个单元与 珏个单元频率，定义相对差比值为缸为： a t 。丘五( 2 1 ) 无 根据上式，计算得到弯头的前9 阶自然频率的相对差比值曲线如下图2 4 所示。 不同单元数对自然频率的影响比较 - - l2345670 频率阶数 4 单元与8 单元频率 比较 - 8 单元与1 6 单元频率 比较 4 单元与1 6 单元频率 比较 图2 4 不同单元数对自然频率的影响比较 由上图可以看出，软件中划分单元数对弯头频率计算结果影响很小，对于此弯 头，划分成4 ，8 和1 6 个单元，可能导致计算出来的弯头自然频率误差最大约1 0 ， 单元数对自然频率的影响处于一个较小水平，可以预测在此软件中，计算管系频率 基本不会受管系建模中划分单元的影响。 2 3 管系模型的建立 根据河北某电厂踹机组主汽管道管线设计图，结合以上分析，建立管系模型如 下图2 5 所示，此管系为双路，锅炉两旁管系基本对称，管系从锅炉联箱引出，到 汽轮机结束。 图2 5 建立的主蒸汽管系模型 锅炉联箱上连的大量过热器管道较小，根据管线设计图纸，联箱实际由6 个吊 架支撑在锅炉顶部，联箱沿着轴向是可以伸缩的，忽略过热器管道的约束，建立联 9 j 惦 0 晒 蟾 o m 刚 m n nh)趔丑粼哥爨 华北电力大学硕士学位论文 箱模型如图上部所示。联箱两端引出主汽管道，管道分别延伸到锅炉左右两侧后， 开始向炉后汽机方向发展。本主汽管系上共安装吊架2 6 个，吊架类型和大小根据 该段管系自重和位移确定，以平衡管系的自重并满足管系移动要求。对于吊架类型 的选择，在无位移位置选用刚吊，小位移位置选用单吊，较大位移位置选用双吊， 大位移位置选用恒吊。在管系末端与汽机连接处，对管系位移值严格要求，定义为 固定端，主汽旁路连接大部件处，也作为固定端处理。 2 4 选择应力最大的弯头 边界约束条件对弯头应力影响很大，实际中弯头的不同约束状况可以简化为两 类第一类是一端完全约束，即6 个自由度全部约束，另一端自由，此时，弯头拘 束在一侧，热载荷、蒸汽内压力和结构载荷均对应力有很大影响，所以要综合考虑 这三种载荷。第二类是两端均轴向约束，即两端的轴向自由度被分别约束，此时结 构载荷对其应力影响较热载荷、内压力小的多，在此约束情况下忽略结构载荷的作 用。 分别在两种不同约束条件下各选取一个应力最大的弯头作为研究对象，管系合 理建立模型后，在c a e s a r i i 软件中进行静力学计算，得到管系各节点应力。在一 端完全约束条件下，节点3 3 0 0 3 3 1 0 之间弯头处应力最大，选取该弯头作为分析对 象，型号为a ) 1 6 8 3 2 2 m m ，弯曲半径r = 3 3 5 m m 。同时，在两端轴向约束条件下， 节点2 0 1 0 2 0 3 0 之间弯头处应力最大，选取该弯头作为分析对象，型号为中3 5 5 6 5 0 m m ，弯曲半径r - - 1 0 0 0 m m ，选取的两个弯头在管系中的位置如下图2 6 所示 图2 - 6 弯头在管系中位置示意图 由上图2 7 可以看出，节点3 3 0 0 3 3 1 0 之间弯头为主汽旁路管道弯头，在主汽 管系中较少。节点2 0 1 0 2 0 3 0 之间弯头为主汽管道弯头，主汽管系中主要为此种约 束弯头，需要重点研究其应力水平及分布。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第三章8 撑机主汽管道弯头应力分析 用a 墟s a r i i 对管系进行静力学分析，只能得到各管段节点处的受力，要解决 定检盲目性，需要采用有限元方法，分析得出管道局部应力水平及分布。本章考虑 热、内压力和结构三种载荷、管系中常见的一端完全约束( 另一端自由) 和两端轴 向约束两种约束、以及裂纹、初始椭圆度和壁厚不均等缺陷情况，对节点2 0 1 0 2 0 3 0 和3 3 0 0 3 3 1 0 之间的主汽管道弯头进行应力分析。 3 1 管道的物性参数 金属材料的物理特性是随温度变化而变化的，物性的变化与温度分布相互影 响，本课题在温度场和应力场计算中考虑了物性参数的变化，主蒸汽管道材料的物 性参数如下表3 - 1 所示。 表3 - 1 管道a 3 3 5 p 2 2 钢物性参数 温度 2 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 线性膨胀系数1 0 6 k 一 1 5 91 6 1 1 6 71 7 11 7 4 1 7 8 弹性模量1 0 3 m p a 2 1 1 2 0 5 1 9 91 9 21 8 41 7 41 6 2 比热容 k g k 4 6 0 4 8 04 9 0 5 5 0 6 3 0 6 6 0 7 7 0 密度k g m 书 7 8 3 0 热导率m k 3 6 13 5 23 4 73 3 53 1 43 0 12 8 3 2 确定各时刻载荷参数 启机时，蒸汽温度快速升高，弯头受材料导热率限制，内外壁形成温差，产生 巨大热应力，其大小直接受温差影响，同时，随着内压的增大，弯头所受的压力载 荷和结构载荷也随之增大。启机阶段三种载荷共同作用在管系弯头上，使得弯头上 的应力较其他时间大且变化频繁，管道破坏数据也显示，启机阶段是蒸汽管系弯头 最危险的时候，所以本文研究启机阶段弯头的应力。 记录该机组某次启动过程，主蒸汽初始参数为6 0 ，o m p a ，启机完成后，蒸汽 参数达到额定值5 2 0 ，1 2 6 m p a 。 主蒸汽温度的上升曲线如下图3 - 1 所示，在o 1 4 4 m i n 内温度由6 0 匀速升至 3 0 0 ( 2 后开始保温，在2 6 4 m i n - - 4 8 0 m i n 内由3 0 0 匀速升至额定值5 2 0 ，4 8 0 m i n 时刻以后温度恒定。 主蒸汽压力的上升曲线如下图3 2 所示，在8 4 m i n - - 2 1 6 m i n 内压力匀速上升至 2 5 9m p a 后保持压力不变，在2 6 4 m i n - 4 8 0 m i n 内压力由2 5 9 m p a 匀速上升至额定 值1 2 6 m p a ，4 8 0 m i n 时刻以后压力恒定。 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 1 主蒸汽温度上升曲线图图3 2 主蒸汽压力上升曲线图 根据温度和压力变化，考虑热载荷与温差直接相关，选取温度突变点时刻，将 主蒸汽参数上升分成4 个阶段，起始点压力和温度如表3 2 所示，各阶段内温度呈 线性变化。 表3 2 载荷起始压力和温度 时间( m i n )主汽压力( m p a )主汽温度( ) 0o6 0 1 4 41 1 83 0 0 2 6 42 5 93 0 0 4 8 01 2 65 2 0 5 0 01 2 65 2 0 由上表3 2 可以看出，第一阶段为启机初期，主汽温度率先开始上升，到5 0 4 0 s 时刻后主汽压力开始上升，到1 4 4 m i n 时刻，主汽开始保温；第二阶段主汽处于保 温状态，主汽压力上升到2 5 9 m p a ：第三阶段从2 6 4 m i n 开始，经过保温后，材料受 热基本平衡，主汽温度和压力进入迅速上升阶段，到4 8 0 r a i n 时刻，温度和压力都 达到额定水平，启机过程结束，机组开始正常运行；第四阶段为机组正常运行初期， 主汽温度和压力都不变，到阶段结束时，升温造成的材料热传递过程基本结束。 3 3 一端完全约束时弯头有限元分析 3 3 1 有限元模型 对一端完全约束弯头，约束沿弯头轴线面对称，考虑热载荷、内压力载荷、结 构载荷和弯头约束条件时，载荷和两端约束不对称，所以需要取整个弯头作为分析 模型。为保证计算的精度，避免约束在弯头上产生的应力集中，在建立有限元模型 时，弯头两端各连接一段辅助管，并对模型上尺寸变化较大和需要重点研究的地方 进行了网格加密处理，建立模型如图3 3 所示。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 3 一端完全约束弯头有限元模型 图3 - 3 有限元模型中，中间网格密集区域为研究目标弯头，两侧为辅助管，网 格划分密度需要考虑是否影响计算精度。选取管道弯头及其辅助管结构对称且规 则，用六面体单元划分单元结构对称性好，所以选用六面体划分单元。 3 3 2 载荷计算 ( 1 ) 热载荷 根据主蒸汽温度上升曲线图，应用a n s y s 软件对机组进行冷启动过程分析， 边界条件是：内表面为蒸汽对弯头表面的对流换热，即第三类边界条件，其它绝热。 采用载荷步加载，分别得到各时刻弯头的温度场分布，如下图3 4 图3 7 所示。 图3 - 41 4 4 m i n 温度场云图 图3 52 6 4 m i n 温度场云图 图3 - 64 8 0 m i n 温度场云图 图3 75 0 0 m i n 温度场云图 华北电力大学硕士学位论文 由上图3 4 图3 7 可以看出，随着启动过程的进行，温度开始是从弯头内表面 向外表面逐渐降低，即温度梯度沿径向变化，沿轴向上的各个截面温度分布基本一 致。在两个升温阶段，温差明显，到两个保温阶段末段，温差几乎消失。 ( 2 ) 自由端结构载荷 根据主蒸汽内压力和温度上升曲线图，应用c a e s a r i i 软件对选取的四个时刻 弯头自由端结构载荷进行计算，得到各时刻载荷如下表3 3 所示。在已建立的有限 元模型中，将墨y 和z 方向作用力均分在截面节点上，m x 、m y 均转化为自由端截 面直径两端点上的大小相等、方向相反的z 向力，m z 转化为上截面直径两端点上 的大小相等、方向相反的x 向力。 表3 - 3 选取弯头结构载荷 时间( m i n ) f x ( n )f y ( n )尼( n )m x ( n i n )m y ( n x m )m z ( n x m ) 1 4 42 4 8 9- - 4 4 8 9- 5 5 0 44 6 5 55 1 1 64 6 8 2 6 42 5 5 8- 4 5 8 7- 5 6 5 74 7 7 75 2 5 74 7 0 4 8 04 8 6 6- 7 8 9 2- 1 0 7 7 88 8 5 89 9 8 45 4 0 5 0 04 8 6 6- 7 8 9 21 0 7 7 88 8 5 89 9 8 45 4 0 由于弯头两端均加辅助管，上表所示的结构载荷数据