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，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，用于管系的位移和由此产生的管道推力，从而达到全面管系受力强度目的，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
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
测点 | 方向 | 调整前应力/MPa | 调整后应力/MPa | |||||
194℃/0.15MPa | 295℃/1.25MPa | 408℃/1.86MPa | 498℃/7.38MPa | 533℃/13.5MPa | 室温 | 533℃/13.5MPa | ||
1 | Ε90 | 56.6 | 59.6 | 91.7 | 97.0 | 107.2 | -15.5 | 40.3 |
Ε45 | 57.3 | .9 | 85.6 | 99.4 | 103.6 | -14.5 | 45.1 | |
Ε0 | 69.1 | 67.3 | 76.9 | 91.8 | 104.1 | -6.04 | 38.4 | |
2 | Ε90 | 75.5 | 91.1 | 95.0 | 98.6 | 97.9 | -6.91 | 56.2 |
Ε45 | 75.1 | 88.7 | 82.9 | 89.6 | 97.5 | -0.21 | 46.9 | |
Ε0 | 31.5 | 87.8 | 95.3 | 106.1 | 112.9 | -7.34 | 55.7 | |
3 | Ε90 | 83.0 | 94.5 | 98.4 | 96.8 | 101.7 | 3.5 | 78.4 |
Ε45 | 57.7 | 99.1 | 108.3 | 108.8 | 113.7 | -2.47 | 75.4 | |
Ε0 | 31.3 | 66.3 | 76.0 | 79.8 | 90.7 | -0. | 72.9 | |
4 | Ε90 | 56.1 | 60.9 | 63.9 | 62.1 | 65.3 | ||
Ε0 | 39.7 | 42.8 | 37.4 | 43.9 | 54.6 | |||
5 | Ε90 | 74.9 | 88.1 | 81.7 | 90.3 | 95.0 | -10.6 | 51.2 |
Ε0 | 75.5 | 71.2 | 82.9 | 85.6 | 88.6 | -18.6 | 37.1 | |
6 | Ε90 | 67.1 | 71.3 | 74.5 | 88.5 | 72.4 | -5.5 | 49.1 |
Ε45 | 66.9 | 69.4 | 98.9 | 93.7 | 68.0 | -4.03 | 43.8 | |
Ε0 | 62.3 | 73.8 | 65.9 | 82.7 | 55.1 | -3.04 | 42.3 | |
7 | Ε90 | 59.8 | 62.3 | 91.1 | 93.4 | 94.7 | 0 | 57.5 |
Ε45 | 70.6 | 88.5 | 95.9 | 88.1 | 74.7 | -1.72 | 55.5 | |
Ε0 | 60.6 | .3 | 61.7 | 68.5 | 58.9 | -0.74 | 50.1 | |
8 | Ε90 | 78.0 | 77.8 | 83.7 | 74.4 | 75.3 | -11.0 | 55.1 |
Ε0 | 65.4 | 85.0 | 76.6 | 74.9 | 63.9 | -10.4 | 46.7 | |
9 | Ε90 | 65.6 | 88.4 | 89.1 | 91.7 | 98.7 | 2.76 | 76.5 |
Ε45 | .1 | 74.4 | 83.6 | 87.9 | 93.9 | 1.51 | 74.6 | |
Ε0 | 56.5 | 63.2 | 70.5 | 77.4 | 84.0 | 2.7 | 71.6 | |
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（σε90=94.7MPa）明显大于同一点的环向应力（σε0=58.9MPa）。结果表明，轴向应力最大处在Ⅰ截面测点1（σε90=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σε90=101.7MPa，环向应力σε0=90.7MPa；测点6轴向应力σε90=72.4MPa，环向应力σε0=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σε90=98.7MPa，环向应力σε0=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。