蒸汽管道现场应力测试

某发电厂蒸汽管道运行数年后，由于高温引起的安装应力使管道支吊架松弛，管道结构发生变形，导致非计划性停机检修，影响电网经济和安全运行。为找出管道的最大应力及应力分析，对高温压力下的蒸汽管道进行现场应力测试，通过重新合理调整支吊架，大幅降低了管道结构应力并达到延寿的目的，实际验证表明该方法具有良好的降应力效果。

蒸汽管道的结构和测点布置

蒸汽管道材料为10CrMo910，断面为D273*45mm，管系共安装8个支吊架，其中5处安装弹簧吊架（P₂、P₃、P₄、P₆、P₇）,2处为导向支架（P1、P5），1处限位支架P8。管道长期运行后，由于高温高压引起的安装应力和附加弯矩，在垂直28m的管道上有4个吊架产生了塑变，垂直管道整体偏离安装轴线，同时在机组启动、变负荷期，应力交变重复出现，管子频繁地经受弯曲疲劳，并有较明显地振动，管道与高压包的连接处严重变形，产生缝隙发生蒸汽的大量泄露。机组运行时，管道系统受到重力、内压和温度应力的联合作用，为揭示应力与温度变化关系，在机组大修期间，对其长期在高温高压下运行的蒸汽管道的工作应力进行了现场测试，通过电阻应变仪监视起动过程中管道测点部位应变变化情况，利用弹性理论的公式由记录的应变值计算出不同参数时的应力水平。本次测试选择了3个截面9个点。另在Ⅲ截面内侧安装了2个百分表测膨胀位移，用于分析管系的位移和由此产生的管道推力，从而达到全面分析管系受力强度目的，同时，在3个截面各装一对热电偶，随时监测这些截面的实际工作温度。

测试方案和结果分析

测点选择的原则是管系应力最大部位，根据管系的结构、走向、支吊架设置，本次测试选择了3个约束刚度最大的部位安装高温应变片，在吊架调整前测出这些部位原始受力状态，为合理调整应力提供依据。测量以机组冷态为零应力状态，测试分2个阶段进行。第1阶段，吊架调整前从冷态升至额定温度和压力，测出各点的应力后停机回到冷态，根据实测应力调整吊架。进行第2阶段测试，从冷态升至额定温度和压力，再次测试各点的应力。吊架调整前后2次数据进行对比，验证了调整后的关系降应力效果（见表1）。表1中的应力值是一次应力和二次应力之和，包含了设计中无法和没有考虑的因素，弥补了设计、施工和实际运行之间的差异。较完整地反映了管系由启动到额定参数时各个阶段的管系应力值，真实地显示了管系的应力水平，是评定关系安全性评估剩余寿命的主要科学依据。

表1 吊架调整前后各测点应力值

在吊架调整前，在Ⅲ截面主管道90°拐弯处两侧各有一个定向支座，使管道不能沿径向位移，而此管道的轴向位移为14.88mm。可以看出，这里的管道应力不仅受内压载荷外，还受到轴向产生的额外附加力矩的影响。从测点7轴向应力（σ_ε90=94.7MPa）明显大于同一点的环向应力（σ_ε0=58.9MPa）。结果表明，轴向应力最大处在Ⅰ截面测点1（σ_ε90=107.2MPa），主要原因是管道上4个吊架产生了塑变，Ⅱ截面测点3最大轴向应力σ_ε90=101.7MPa，环向应力σ_ε0=90.7MPa；测点6轴向应力σ_ε90=72.4MPa，环向应力σ_ε0=55.1MPa。结果表明，在90°弯道处有附加弯曲力矩对管道产生影响。在Ⅲ截面测点9轴向应力σ_ε90=98.7MPa，环向应力σ_ε0=84.0MPa，表明也有附加弯矩应力。

吊架调整后，Ⅰ截面测点1、2在额定温度和最大气压下，管道轴向和环向应力下降了35%-55%，Ⅱ截面测点3、6的轴向和环向应力下降了20%-30%，Ⅲ截面测点7、9轴向和环向应力下降18%-35%，同时也表明在管道的90°弯道处，调整吊架后，大部分附加弯矩产生的应力被消除，尽可能地减小了安装产生的应力。测点4在维修过程中有损坏，其他测点的应力都有不同程度的下降。

总结

实测数据表明，吊架调整后把管道应力重新分配而较合理，产生了明显地降应力效果，说明该方案有效，结构应力状态是其使用寿命的关键调控因素，通过现场高温应变实测，获得了结构温度对管道应力的影响规律，对高温压力管道延寿研究及进一步的寿命管理具有重要的意义。