火电厂主蒸汽管道动应力的数值分析.pdf

第 4 7卷第 1期 2 0 1 6年 1月 锅 炉技术 B0I LER TECHN0L0GY Vo L 4 7．NO ． 1 J a n ．，2 0 1 6 火 电厂主蒸汽管道动应力的数值分析 赵 星海 ，翟 松 ，刘 勇 ，郑明秀。 1 ．东北 电力大学 能源 与动力工程学院 ，吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ； 2 ．大庆油 田矿区服务事业部管理二公司 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 4 1 6 ； 3 ．东北电力设计院 ，吉林 长春 1 3 2 0 1 3 摘要 为 了提 高主蒸 汽管道的安全性 ， 针对机组 运行 过程 中可能 出现的汽锤 现象 ， 通过建 立管 道模型 ， 采 用频谱 分析研究汽锤载荷 ， 求解管道 的动应力 并 同静应力进 行 比较 。结果表 明 由于频 谱分析考 虑到力 随时 间的变 化 ， 故在求解汽锤 现象时 ， 可得 到更精 确 的解 ； 汽 锤产生 的动应 力要远 远高于 管道 的静 应力 ； 最后 针对 汽锤 现象导致动应力过高 的问题 ， 提 出针对性 的减 小动应力 措施 。 关键 词 主蒸汽管道 ；汽锤 ；频谱 分析 ；动应力 中图分类号 TK2 2 3 ． 1 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 4 7 6 3 2 0 1 6 0 1 0 0 1 5 ～ 0 3 0 前 言 稳定运行有着极其重要的作用。 近年来 ， 由于我 国经济 的高速增 长， 电力 工 业也相应得到迅猛 的发展。随着 新投产 的超 临 界、 超超临界机组 的汽水参 数越来越 高， 对汽水 管道 的力学性能提 出了更 高 的要求 。管道 能否 安全稳定地工 作 ， 取决 于施 加在管道 上的载荷 。 管道 的载荷按 其作用性质可分 为静载荷和动 载 荷 。静载荷是 不随时 间变化 的载荷 。管道 的 自 重、 内压 、 热膨 胀是产生静 载荷 的主要 原 因。动 载荷是在一定时间内迅速变化的载荷。汽锤 水 锤 、 安 全 阀 动 作 等 是 产 生 动 载 荷 的 主 要 原 因[ 1 ] 。管道在静载荷的作用下产生 的应力 为静 应力 ， 静应力一般不随时间变化或随时间变化很 缓慢 ， 管 系有足 够 的时间将 应力 在管 系 内部分 散 ， 使 管 系保 持平 衡 状 态 。我 国 电力 设计 院在 设 计汽水管道时， 采用的是汽水管道静应力分析方 法 。虽然管道系统大部分 时间承受静 载荷 的作 用 ， 但运行过 程 中， 对管 系的安全造成严 重威胁 的往往是动载荷 ， 当动载荷施 加在管 系上 ， 管 系 将产生动应力 。动应力异 常不仅会 引发 管道 的 异常振动 ， 同时动应力 峰值过大也会造成管材 内 部产生裂纹 ， 使 得管材材质严 重下降 ， 甚 至有爆 管 的危险 。因此 ， 分析研究汽水管道在动载荷作 用下所产生 的应力 动应力 ， 对 于管道 的安全 1 汽锤 动载 荷频谱分析 在 日常运行过程 中， 机组难免会发生故 障， 需快速关闭主汽 门。在主汽门关 闭的瞬间， 主汽 门周 围蒸汽 的速 度 迅速 减 小 至零 ， 而 主汽 门上 游 的蒸 汽 由于惯 性 继续 运 动 ， 压 缩 阀 门处 静 止 的蒸 汽 ， 使贴近主汽 门蒸汽 的压力 急剧上升 ， 使得 管 道截面积扩大， 形成压力波并以音速 向主汽门上 游传播 ， 而主汽 门下游 的蒸汽压 力下降 ， 形成 的 压力波向下游传播， 压力波在经过弯头时会产生 不平衡力， 并在整个管 系不 断反 射叠加 ， 从 而引 发管遭振动， 在整个过程中伴有轰轰的振动声， 这就是汽锤现象。汽锤产生 的冲击力在短 时间 内由零跃升至最高值 ， 使得管道所受应力可能瞬 间超 过 管 材 的许 用 应 力 ， 导 致 管 道 处 于 危 险 状 态 。另外 ， 汽 锤产 生 的冲 击 力会 对 管 道 系 统产 生 相当大的激振力 ， 从而引发管道 振动， 特别是 当 汽锤力的激振频 率与管道系统的 固有频率重合 或接近时， 使得 管道振动加剧 ， 而产生过大 的动 应力 。 频谱分析是将 时域信号通 过傅里叶变换转 化频谱信号 ， 是 近年来随着信息技术 发展来 的 ， 被广泛应用于各个领域 ， 可有效地评估信号 的时 域 效 应 。因此 ， 本文 针 对 汽锤 的力 随 时 间变 化 的 收稿 日期 Z 0 1 4～0 42 0 ； 修 回日期 2 0 1 4～1 21 4 作者简介 赵星海 1 9 7 7一 ， 男 ， 副教授 ， 工学硕士 ， 主要从事 电站热力系统改造 、 安全性评价及优化设计 的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 锅 炉技术 第 4 7卷 特点采用频谱 法对其进行数 值计算。由于 主汽 门到管系各个弯头 、 异径管 等管件的距离不等 ， 这样导致压力波在通过连续 的弯头对传播 的过 程中 ， 存在时间差 ， 导致管系产生不平衡力 ， 不平 衡 力 的持续 时 间 等 于 时 间 差 。将 不 平 衡 力 的 大 小转化为载荷 系数 ， 力的持 续时间转化为频率 ， 即可得 到汽 锤 的频谱 。 本 文 以某 6 0 0 MW 电厂 的 主蒸 汽 管道 汽锤 现象为研究对象， 已知该电厂主蒸汽管道 的蒸汽 流速 为 5 0 m／ s ， 压力波在管道的传播速度 C为 7 0 0 ． 6 m／ s ， 蒸 汽的密度 为 5 2 ． 6 k g ／ m。 ， 根据 A p p c v ， 求得 发 生 汽 锤 时产 生 的压 力 增 量 为 1 ． 8 4 MP a ， 再结合主汽门的关闭时间、 产生的冲击力 以 及汽锤的持续时间， 对汽锤进行频谱分析 ， 得到汽 锤载荷系数频谱图和频谱表， 见图 1和表 1 。由 图 1和表 1 可知 在频率为 1 ． 3 2 3 9 ～4 ． 5 8 8 1 Hz 区域 ， 汽锤对管系产生的冲击力较强。 籁 柱 榔 图 1 汽锤载荷系数频谱 图 表 1 汽锤载 荷 系数频谱 表 频率／ Hz 载荷系数 O ．O O1 5 0． 02 3 2 0． 11 7 5 O． 59 4 6 1 ． 32 3 9 2． 58 8 5 4． 58 8 1 7 ．5 0 0 4 O ． OO1 9 0 ． 029 9 O ．1 51 1 0 ．7 37 6 1． 41 2 2 1． 7 17 3 1 ． 3 84 0 1 ． O9 5 7 由于管系的各 阶频率振型对汽锤频谱 的动 力响应不同， 当汽锤 的频谱 与管道系统 的某阶固 有频率重合或接近 时， 该阶频率振型将被激发 ， 引发共振产生过大的动应力。通过调整 管系的 固有频率及振型可有效地避开载 荷系数较 高的 频谱 ， 削弱管系对汽锤频谱的响应 ， 进 而减 弱汽 锤的冲击作用， 最终减小动应力。 2建立动应 力计算模型 已知该 6 0 0 MW 电厂 主 蒸 汽 管道 的设 计 压 力为 1 7 ． 6 MP a ， 设计温度为 5 4 6℃， 管材为 A3 3 5 P 9 1 ， 膨胀系数 为 1 2 ． 1 6 8 1 0 ～／ c， 弹性模量为 1 5 4 ． 6 7 3 k N／ ram ， 主管尺寸为 D i 4 5 7 ． 2 mm5 2 mm， 支管尺寸为 D i 3 3 o ． 2 mm3 8 mm， 有 1 2个 弯头 、 2 个异径 管和 2个三通 ， 管 系端部全约束 ， 该管系共布置有 2个 刚性支 吊架， 2个阻尼支 吊 架 ， 1个 限 位 支 吊架 ， 2 3个 弹簧 支 吊架 。利 用 C A ES ARI I 软 件建 立 主蒸 汽管 道模 型 ， 如 图 2所 示 ， 以该模型为动应力计算模型。 建完动应力计算模型后 ， 先对模型进行静力 分析 。通过静力分析检验各个节点的安全性 ， l r z▲ X l 3 2 0 3 9 0 2 9 0 2 8 0 2 70 2 7 0 2 6 0 2 4 o 2 2 O 2 1 1 ．910 l 4 20 I 0 9 0 ； 。 图 2 主蒸 汽管道三维立体 图 l 4 8 0 I 5 0 0 。 o 5 9 0 6 O O ， 验 证 完 各 个 节 点 的静 应 力 均 小 于许 用 应 力 以及热位移符合安全要求 后， 再做进一步 研究。 由于管系的动力响应一般与管系的 自振特性密 切相关 嘲 ， 因此 需 对 管 道 进 行 模 态 分 析 ， 求 出管 道 的 固有频 率 以及 振 型 ， 如表 2所 示 。 表 2 主蒸 汽管道 的频 率与 振型 根据 D L ／ T 5 0 5 4 -- 1 9 9 6 火力 发 电厂 汽水 管 道设计 技术规定 中 7 ． 2 ． 1 ． 1条 的规定 管道 的 8 6 4 2 0 8 6 4 2 1 1 1 l l O 0 O O 0 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 赵 星海 ， 等 火电厂主蒸汽管道动应力 的数值分析 固有频率应大于 3 ． 5 Hz 。由表 2可知， 主蒸汽管 道的前六 阶固有频率小于 3 ． 5 Hz ， 这是由于主蒸 汽管道属 于高 温高压 管道 ， 在 由冷 态转 向热 态 时 ， 会产生较大 的热膨胀 和变形 ， 因此在设计 管 道时， 必须使用大量 的弹簧支 吊架来满足管道对 柔性 的要求 。 由于主蒸汽管道 的固有频 率较低 ， 在外界激 振 的扰 动下容 易引发管 道振动 。另外 ， 汽锤在 频率 为 1 ． 3 2 3 9 ～4 ． 5 8 8 1 Hz 区域 ， 可对 管 系产 生 较强 的冲击力 ， 而管系的第 5 、 6阶频率与上述区域存在 重合 ， 因此汽锤现象可使管道产生过大的动应力。 定的差异。这是 由于原设计 值是将汽锤对 管系 的作用 力估 算成 一 个集 中力 ， 而 忽 略 了作 用 力 随 时间的变化 。频谱 法是考虑到在汽锤发 生 的整 个时间段内力的变化 ， 并将其转化为载荷系数与 频率之间的 函数 ， 将其施加 在管系上。因此 ， 采 用频谱法得到的计算值更为精确。 表 4 阻 尼支 吊架受 力 3 动应力计算4 减小优化动应力 的措施 利 用 C AE S AR 1 1 软 件 将 汽 锤 的响 应 频 谱 施 加在管系相应的节点上 ， 求 出管道在汽锤作用下 的动应 力 ， 并 同 静 应 力 进 行 对 比， 具 体 结 果 见 表 3 。结果 表 明 管 系 在 汽 锤 的 作 用 下 产 生 的 动 应 力 值要 远 远高 于管 道 静 应 力 ， 甚 至有 的节 点 应 力 值接近管材的许用应力值 。因此 ， 汽锤动载荷产 生 的动应 力对 管道 安全 运行 可 造成严 重 威胁 。 表 3 管道 的静 应 力、 动 应力对 比 节点 静应力／ MP a 动应力／ MP a 许用应力／ MP a 95 ． 83 9 5． 83 95 ． 83 95 ． 83 95 ． 83 95 ． 83 95 ． 83 95 ． 83 95 ．8 3 95 ． 83 95 ． 83 95 ． 83 同时 ， 求出管道 的阻 尼支 吊架 的受力 值 ， 并 同原 设计 值 进 行 对 比 ， 具 体 结 果 见 表 4 。结 果 表 明 采用频谱法得到 的计算值与原设计值存 在一 由管道动力学方程E M] 艾E c - l xE K] X F ， 其中， [ M] 、 r - c ] 、 [ K] 分别 为管道的质量矩 阵、 阻尼矩阵和刚度矩阵， 艾、 、 x 分别为节点的 加速 度 向量 、 速 度 向量 和 位 移 向量 ， F ￡ 为 管道 的动 态应 力 。 可知通过调整管系 的阻尼和刚度可实 现改 变管道的动应力 的 目的。调整管系 的支 吊架 可 改变管系的刚度 ， 使之避开动载荷 的频谱， 可有 效减弱动载荷 的冲击作用 ； 在管系特定位置增设 阻尼器可有效耗散动载荷的冲击能量 ， 从而可达 到减弱冲击作用的目的。 因此 ， 针对主蒸汽管道的固有频率较低， 在动 载荷汽锤 的作用下引发管道振动、 动应力过大的情 况 ， 可通 过在节点 7 0 、 2 6 0 处增 设阻尼 支 吊架 ， 在节 点 1 0 0 、 2 3 0 、 3 7 0 、 4 9 0处增设刚性支吊架。 对主蒸汽管道支吊架改造完以后， 仍需先对 整个 管道系统进 行静力分析 ， 在 静应力和热位 移满 足安全要求的前提下， 再对管系进行模态分析 ， 求 出管系的固有频率 ， 再将汽锤载荷施加在管系上 ， 求出动应力。治理后的管道前六阶固有频率分别 提 高至 5 ． 3 4 6 Hz 、 6 ． 2 2 7 Hz 、 6 ． 9 3 2 Hz 、 8 ． 8 5 3 Hz 、 9 ． 9 6 8 Hz 、 1 2 ． 7 0 4 Hz 。整理数据 ， 将治理前后的静 应力 、 动应力进行对比， 具体结果见表 5 。 表 5 治理前后管道的静应 力、 动应力对 比 节 点 1 0 5 0 6 0 1 2 o 1 6 o 2 4 0 3 0 0 3 6 0 治理前静 应力／ MP a 治理后静 应力／ MP a 治理 前动应力／ MP a 治理 后动应力／ MP a 许 用应力／ MP a 7． 9 3 6． 89 81 ． 22 4 2． 37 95 ． 83 6． 28 6 ．3 2 41 ．3 3 13 ．6 7 95 ．8 3 2 ．9 6 2 ．5 1 36 ．8 3 22． 31 9 5． 8 3 8 ．6 9 7． 5 6 2 6．1 5 1 4． 72 9 5． 83 7． 57 8．1 2 4 0．2 2 16 ．5 5 95 ．8 3 1 ．O 2 1 ．2 3 39 ．8 8 3 8 ．5 7 9 5 ．8 3 5 ．4 9 4 ．5 6 31 ．17 1 9． 3 6 9 5． 8 3 7． 45 7． 65 8 5． 6 4 5 0． 64 9 5． 83 3． 16 5 ． 32 2 5．1 7 2 4． 06 95 ． 83 1 ． 73 1 ． 54 1 8．7 4 16 ． 86 95 ．8 3 3 ．9 3 4 ． O3 1 7 ． 44 1 8 ．3 2 9 5 ．8 3 2 ．1 6 2 ．2 6 26 ．5 5 26 ．5 5 95 ．8 3 下转 第 6 2页 鲳 踮 罟 8 “ 孙 们 踮 ％ ％ ∞ 盯 ∞ ％ 7 6 2 8 7 1 5 7 3 1 3 2 ， O O O O O O O O O K ∞ ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 锅炉 技术 第 4 7 卷 Ab st r a ct The p a p e r a i m e d a t t he p o i nt of i nt e g r a t e d ga s i f i c a t i o n c o m b i n e d c y c l e I GCC s y n ga s c oo l e r i nt e r na l ， c o m b i ni ng wi t h t h e pr o du c t i o n pr a c t i c e， c he c ki n g u p t he ma n u f a c t u r i n g s i t e o f t h e p r o d u c t i o n a n d t h e me a s u r i n g me t h o d r e s e a r c h i n g，W e f o u n d s o me d i f f i c u l t i e s i n t h e a s s e mb l i n g o f t h e s y n g a s c o o l e r i n t e r n a l a n d a n a l y z e d t h e m ，f i n a l l y we f o u n d t he s o l ut i on．Af t e r t a ki ng s t e ps t o de ve l op v a r i o us m e a s ur i ng e qu i p m e nt s ，c o nf i r m t he f i r s t s t a nd a r d a n d m e a s u r e by v a r i ou s e q ui pme n t s ．Not o nl y we s o l v e d t he m e a s ur i n g a nd qu a l i t y c o n t r o l l i n g o f t h e d i f f i c u l t i e s i n t h e s y n g a s c o o l e r ，b u t a l s o a c h i e v e d t h e r e s u l t f o r s h o r t e n i n g t he me a s ur i n g t i me，c r e a t i n g t h e e c o no m i c e f f e c t i ve ne s s a nd i mpr o v i n g t he pr o du c t i on qu a l i t y a nd S O o n． Ke y w o r d s ga s c o o l e r i nt e r na l ； me a s u r e；t he f i r s t s t a nd a r d； q ua l i t y c o nt r o l 上 接 第 1 7页 根据治理结果可知 主蒸汽管道 的固有频率 有 了较大的提高， 使得其不仅满足有关汽水管道 技术要求， 同时也可以避开汽锤对管系的激振频 率 。另外， 治理后的管道静应力改变不大而动应 力 有 了较大 幅度 的减 小 。因此 ， 该 治 理方 案 效 果 明显 ， 可达到减小动应力的 目标。 5 结 语 1 管道在汽锤等动载荷的作用下产生的动应 力远远大于管道的静应力 ， 严重影响管道的安全。 2 利用频谱法分析求解汽锤等动载荷 ， 可 得到更精确的解， 对 于在设计主蒸汽管道选择阻 尼 支 吊架 时 具有参 考意 义 。 3 通 过 改造支 吊架调 整管 系 的固有 频率 来 避开动荷载的频谱 ， 增设阻尼器来减弱汽锤等动 载荷的冲击作用 ， 可实现减小动应力 的 目的。另 外 ， 对于可能 出现汽锤等动载荷 的部 位， 要加强 监视其附属的支 吊架以保证管道的运行安全 。 参考文献 E 1 ]王致祥， 梁志钊 ， 孙 国模 ， 等．管道应力分 析与计算 E M3 ．北 京 水利 电力 出版社 ， 1 9 8 3 ， 3 6 ． [ 2 ]郑军．高温高压蒸汽管道动态分析E J ] ．科学 信息， 2 0 0 9 ，3 5 3 7 9 3 - 7 9 4 ． [ 3 ]张子明 ， 周星德， 姜冬菊．结构动力学 [ M] ．北京 中国 电力 出版社 ， 2 0 0 9 ． Nu me r i c a l An a l ys i s o f D yn a m i c St r e s s o f t h e Ma i n St e a m P i p e i n T h er ma I P o wer Pl a n t S ZH AO Xi ng h a i ， ZH AI S on g ，LI U Yo ng 。 ， ZH ENG M i n g x i u 。 1 ．Co l l e g e o f En e r g y a n d Po we r En g i n e e r i n g， No r t h e a s t Di a n l i Un i v e r s i t y ， J i l i n 1 3 2 0 1 2， C h i n a 2 ． Da q i ng Oi l f i e l d M i ni ng Se r vi c e s Di v i s i on The Se c o nd Pr o pe r t y M a n a ge me n t Co mpa ny， Da qi ng 16 3 416， Chi na； 3 ．No r t h e a s t El e c t r i c P o we r De s i g n I n s t i t u t e ， Ch a n g e h u n 1 3 2 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t To i mp r o v e t he s e c ur i t y o f t he ma i n s t e a m pi p e，s t e a m ha m me r ph e no me n on t ha t ma y o c c u r d ur i n g o pe r a t i o n i s s t ud i e d by e s t a bl i s hi n g t h e m o d e l of p i pe l i ne ， s t u d yi n g ha m me r s l oa d i n s p e c t r um a n a l ys i s， s o l v i ng dy n a m i c s t r e s s a n d c o m p a r e d wi t h t he s t a t i c s t r e s s ． The r e s ul t s s ho w t ha t t he s pe c t r u m a n a l y s i s c o ns i d e r i n g t he f o r c e c h a ng e s wi t h t i me c a n g e t mo r e a c c ur a t e s o l ut i o n i n s o l v i ng t he ha mme r p he n o m e no n；dy na m i c s t r e s s pr o du c e d by s t e a m ha mme r i s f a r hi g he r t ha n t he s t a t i c s t r e s s ．Fi n a l l y，a i m i ng a t t he p r ob l e m o f hi g h dy na m i c s t r e s s c a u s e d by s t e a m h a mm e r ph e n ome n o n， t h e r e du c t i o n m e a s u r e s f or dy n a m i c s t r e s s a r e p ut f o r wa r d ． K e y wor dsm a i n s t e a m p i p e； s t e a m h a m me r； s p e c t r um a na l y s i s；dy n a mi c s t r e s s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m