CN111104718B - 一种管系及支吊架健康状态量化评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管系及支吊架健康状态量化评估方法，包括以下步骤：步骤1：确定评估分制及对应满分；步骤2：检测管系及支吊架的一次应力百分比、二次应力百分比，结合其设计时的一次应力百分比、二次应力百分比及满分确定基础得分；步骤3：根据满分和基础得分确定标准扣分值；步骤4：检测管系及支吊架出现的缺陷，根据缺陷对应的权重和标准扣分值计算应扣分；步骤5：根据满分和应扣分计算管系及支吊架的健康评分；步骤6：根据管系及支吊架的健康评分所属区间，评估管系及支吊架的健康状态并确定缺陷解决方案。本发明能够快捷、可靠地对核电厂管系及支吊架健康状态进行量化评估，为合规、全面处理缺陷提供依据。

Description

一种管系及支吊架健康状态量化评估方法

技术领域

本发明属于核电厂设备状态监测技术领域，具体涉及一种管系及支吊架健康状态量化评估方法。

背景技术

发电厂管道支吊架的作用是承受管道重力、承受偶然的冲击载荷和控制管道在工作状态下的位移和振动。尽管在设计阶段，已经做了管道支吊架的布置及选型优化，使管道处于比较健康的状态，但随着机组运行时间的累积，部分支吊架状态会出现变化，一旦支吊架部分或全部丧失其功能，管道承载和约束条件将发生变化，管道位移和应力分布将偏离设计状态。管道应力峰值增高，局部可能超过管材许用应力，加快高温管道高应力蠕变损伤，缩短管道应有的使用寿命。另外管道振动可能会由于管道约束条件的变化而加剧，管道端点对设备的推力也会增大，这些都会危及机组的安全运行。

《火力发电厂汽水管道支吊架检验与维修调整导则》DL/T616-2006规定的每4年一次全面检验。电厂会委托有资质的单位每4年对机组重要管道支吊架进行一次全面的检验和调整。受托单位对支吊架设计资料进行复核，对管系支吊架的状态进行现场检查，并在此基础上进行管系设计状态应力校核计算和应力分析，根据检查发现的问题和应力计算结果经综合分析后提出了管系支吊架调整方案。

检查的间隔期间，出现支吊架缺陷时，电厂往往非常焦虑，担忧缺陷会带来异常严重的后果，这时候会紧急向有资质的单位求援，往往不但成本高，而且受托单位反应速度慢，同时由于商务程序的滞后，还带了一些合规上的风险，结果往往是绝大多数缺陷都不至于要立刻处理。

综上，发电厂管道的应力状态在设计时进行了定量评估，一次应力和二次应力在标准范围内才能设计通过。随着机组长时间运行，支吊架的状态必然出现改变，甚至形成缺陷。支吊架产生缺陷后，管系是否安全，需要非常专业的有限元建模分析计算，目前尚无快捷、可靠、易于接受的评估方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够快捷、可靠地对核电厂管系及支吊架健康状态进行量化评估，从而为合规、全面处理缺陷提供依据的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种管系及支吊架健康状态量化评估方法，用于对核电厂中的管系及支吊架进行健康状态评估，所述管系及支吊架健康状态量化评估方法包括以下步骤：

步骤1：确定评估分制及对应的满分A_max；

步骤2：检测所述管系及支吊架的一次应力百分比b₁、二次应力百分比b₂，根据所述管系及支吊架的一次应力百分比b₁与所述管系及支吊架设计时的一次应力百分比b_1设的关系、所述管系及支吊架的二次应力百分比b₂与所述管系及支吊架设计时的二次应力百分比b_2设的关系以及所述满分A_max确定所述管系及支吊架的基础得分A；

步骤3：根据所述满分A_max和基础得分A确定所述管系及支吊架的标准扣分值Δ_i；

步骤4：检测所述管系及支吊架出现的缺陷，并根据所述缺陷对应的权重α_i和所述标准扣分值Δ_i计算所述管系及支吊架的应扣分B；

步骤5：根据所述满分A_max和所述管系及支吊架的应扣分B计算所述管系及支吊架的健康评分A_总；

步骤6：根据所述管系及支吊架的健康评分A_总所属的区间，评估所述管系及支吊架的健康状态并确定缺陷解决方案。

所述步骤1中，所述评估分制采用百分制，对应的满分A_max为100分。

所述步骤2中，计算所述管系及支吊架的基础得分A的方法为：

A＝β₁A₁+β₂A₂

其中，A₁为所述管系及支吊架的关于一次应力的基础得分，A₂为所述管系及支吊架的关于二次应力的基础得分，β₁为所述管系及支吊架的一次应力的权重系数，β₂为所述管系及支吊架的二次应力的权重系数。

所述步骤2中，若检测到所述管系及支吊架的一次应力百分比b₁等于所述管系及支吊架设计时的一次应力百分比b_1设，则所述管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁等于所述满分A_max，若检测到所述管系及支吊架的一次应力百分比b₁为100％，则所述管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁等于所述满分A_max的60％，若检测到所述管系及支吊架的一次应力百分比b₁在所述管系及支吊架设计时的一次应力百分比b_1设与100％之间，则进行线性插值法确定在所述满分A_max的60％至所述满分A_max之间的所述管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁；

若检测到所述管系及支吊架的二次应力百分比b₂等于所述管系及支吊架设计时的二次应力百分比b_2设，则所述管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂等于所述满分A_max，若检测到所述管系及支吊架的二次应力百分比b₂为100％，则所述管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂等于所述满分A_max的60％，若检测到所述管系及支吊架的二次应力百分比b₂在所述管系及支吊架设计时的二次应力百分比b_2设与100％之间，则进行线性插值法确定在所述满分A_max的60％至所述满分A_max之间的所述管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂。

所述步骤2中，进行线性插值法确定所述管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁的方法为：

进行线性插值法确定所述管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂的方法为：

所述步骤2中，所述管系及支吊架的一次应力的权重系数β₁为0.8，所述管系及支吊架的二次应力的权重系数β₂为0.2。

所述步骤3中，计算所述管系及支吊架的标准扣分值Δ_i的方法为：

Δ_i＝A_max-A

所述步骤4中，计算所述管系及支吊架的应扣分B的方法为：

B＝∑α_iΔ_i

其中，所述缺陷对应的权重α_i的取值范围为0～2.0。

所述步骤5中，计算所述管系及支吊架的健康评分A_总的方法为：

A_总＝int(A_max-B)

所述步骤6中，若所述管系及支吊架的健康评分A_总＜所述满分A_max的60％，表示所述管系及支吊架缺陷严重，则缺陷解决方案为必须立刻解决；若所述满分A_max的60％≤所述管系及支吊架的健康评分A_总＜所述满分A_max的90％，表示所述管系及支吊架缺陷重要，则缺陷解决方案为进行监督运行，防止缺陷进一步升级；若所述管系及支吊架的健康评分A_总≥所述满分A_max的90％，表示所述管系及支吊架缺陷一般，则缺陷解决方案为不做任何措施，等待下次全面检查时进行整改。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明可以对大多数支吊架缺陷对管道的影响进行基本的判断，能够快捷、可靠地对核电厂管系及支吊架健康状态进行量化评估，让用户了解所出现的缺陷对管系安全的影响程度，从而判断问题出现的紧急程度，为合规、全面处理缺陷提供了依据。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

一次应力和二次应力简述：

管道在工作状态下承受的应力分为一次应力和二次应力。一次应力是指管道在内压、自重和其它持续外载(包括支吊架反力等)作用下所产生的应力；二次应力是指管道在热胀、冷缩或其它位移受约束时产生的应力。

一次应力是由于外力荷载而使管道产生的正应力和剪应力，必须满足外部及内部的力或力矩的平衡法则。一次应力的特点是没有自限性，它始终随着外力荷载的增加而增大，不会随时间的延长而有所降低，当它超过某一限度，将使管道变形增加直至破坏。因此，要严格限制一次应力的数值，使其控制在相应的许用应力范围之内。管道在工作状态下，由内压、自重和持续外载产生的一次应力不得大于钢材在计算温度下的基本许用应力，即

式中：σ_zhw——持续外载轴向应力；

f——管子断面积；

P_zhw——持续外载轴向力；

σ_w——持续外载当量应力；

M_W——持续外载当量力矩；

W——管子断面抗弯截面模量；

m——应力加强系数；

P_js——管道计算压力；

D_w——管道外径；

S——管道壁厚；

——环向焊缝系数；

——管道钢材在计算温度t下的基本许用应力；

二次应力是由于管道变形受约束而产生的正应力和剪应力，其本身不是直接与外力相平衡的。而具有自限性的特点，即当局部屈服或产生小量塑性变形时，就能使工作状态下的热胀应力降下来。二次应力一般不会直接导致破坏，只有当应变在多次重复交变的情况下，才导致管道和附件产生疲劳破坏。因此，对于二次应力的限定，并不是指一个时间的应力水平，而是指交变的应力范围和交变的循环次数。管道由热胀、冷缩和其它位移受约束而产生的热胀二次应力应满足以下要求：

式中：σf——热胀二次应力，取计算管系上危险断面的应力值；

M——热胀当量力矩，按全补偿值和钢材20℃时的弹性模量计算。

若所计算的热胀二次应力不能满足上述要求，但由内压、自重和持续外载产生的一次应力低于时，允许将一次应力未用足的这部分许用应力加在二次应力验算的许用范围内，以扩大二次应力的许用应力范围。

此时，管道由热胀产生的二次应力必须满足下列条件：

式中：——材料在常温下的基本许用应力；

——钢材在计算温度下的基本许用应力；

σ₁——由内压、自重和持续外载产生的一次应力。

实施例一：对管系及支吊架健康状态的量化评估是基于管系的应力水平，结合相关法规，以最简约的方式，对当前管道的安全所做的判断。具体如下：

一种管系及支吊架健康状态量化评估方法，包括以下步骤：

步骤1：确定评估分制及对应的满分A_max。

该步骤中，评估分制采用百分制，对应的满分A_max为100分。

步骤2：检测管系及支吊架的一次应力百分比b₁、二次应力百分比b₂，根据管系及支吊架的一次应力百分比b₁与管系及支吊架设计时的一次应力百分比b_1设的关系、管系及支吊架的二次应力百分比b₂与管系及支吊架设计时的二次应力百分比b_2设的关系以及满分A_max确定管系及支吊架的基础得分A。

具体的，以发电厂额定运行工况为基准，检测实际的管系及支吊架的一次应力百分比b₁、二次应力百分比b₂。

若检测到管系及支吊架的一次应力百分比b₁等于管系及支吊架设计时的一次应力百分比b_1设，即b₁＝b_1设，则管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁等于满分A_max，即A₁＝100。若检测到管系及支吊架的一次应力百分比b₁为100％，即b₁＝100％，则管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁等于满分A_max的60％，即A₁＝60。若检测到管系及支吊架的一次应力百分比b₁在管系及支吊架设计时的一次应力百分比b_1设与100％之间，则进行线性插值法确定在满分A_max的60％至满分A_max之间的管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁。

进行线性插值法确定管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁的方法为：

在百分制下，上式变为：

若检测到管系及支吊架的二次应力百分比b₂等于管系及支吊架设计时的二次应力百分比b_2设，即b₂＝b_2设，则管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂等于满分A_max，即A₂＝100。若检测到管系及支吊架的二次应力百分比b₂为100％，即b₂＝100％，则管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂等于满分A_max的60％，即A₂＝60。若检测到管系及支吊架的二次应力百分比b₂在管系及支吊架设计时的二次应力百分比b_2设与100％之间，则进行线性插值法确定在满分A_max的60％至满分A_max之间的管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂。

进行线性插值法确定管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂的方法为：

在百分制下，上式变为：

进而计算管系及支吊架的基础得分A：

A＝β₁A₁+β₂A₂

其中，A₁为管系及支吊架的关于一次应力的基础得分，A₂为管系及支吊架的关于二次应力的基础得分，β₁为管系及支吊架的一次应力的权重系数，β₂为管系及支吊架的二次应力的权重系数。通常，管系及支吊架的一次应力的权重系数β₁为0.8，管系及支吊架的二次应力的权重系数β₂为0.2，则

A＝0.8A₁+0.2A₂

步骤3：根据满分A_max和基础得分A确定管系及支吊架的标准扣分值Δ_i。

计算管系及支吊架的标准扣分值Δ_i的方法为：

Δ_i＝A_max-A

即

Δ_i＝100-A

步骤4：检测管系及支吊架出现的缺陷，并根据缺陷对应的权重α_i和标准扣分值Δ_i计算管系及支吊架的应扣分B。

计算管系及支吊架的应扣分B的方法为：

B＝∑α_iΔ_i

其中α_iΔ_i为某个支吊架出现某缺陷后的扣分值。由于阻尼器在不顶死的情况下，不影响静态应力，同时考虑到阻尼器是守护管道安全重要设备，因此将阻尼器的Δ_i直接赋值为10。

支吊架从型式上分，可分为弹簧支吊架、刚性支吊架、阻尼器这三种类型，对应的缺陷有弹簧超载、欠载、松脱、断裂、卡死、漏油、偏斜、锈蚀、螺母松等多种缺陷，这些缺陷严重程度不一，对管系应力的影响有大有小，因此需要对缺陷进行分类，并根据缺陷的严重程度赋予不同的权重系数，最终得到缺陷所对应的扣分值。

对管系应力影响较大的缺陷包括：变力弹簧超载欠载、结构或吊杆断裂、弹簧卡涩、吊杆松动、支架损坏、支架脱空、支吊架将管道卡死。

对管系应力影响较小的缺陷包括：吊杆倾角超标、吊杆弯曲。

尽管对管系应力影响不大，但降低了管系整体可靠性的缺陷包括：锈蚀、阻尼器渗漏油、阻尼器销轴磨损、花篮螺母余量不足、锁紧螺栓松动、限位间隙过大。

基于此，缺陷对应的权重α_i的取值范围为0～2.0。实际取值可参考下表：

步骤5：根据满分A_max和管系及支吊架的应扣分B计算管系及支吊架的健康评分A_总。

计算管系及支吊架的健康评分A_总的方法为：

A_总＝int(A_max-B)

即

A_总＝int(100-∑α_iΔ_i)

管系原始健康状态得分为100，当出现一个或多个支吊架缺陷后，根据上述计算步骤可得到每个支吊架吊点由于缺陷而导致的扣分，将这些扣分进行累加，可得到管系的最终健康状态量化得分，这个分数采用去尾法进行取整，得到管系及支吊架的健康评分A_总。

步骤6：根据管系及支吊架的健康评分A_总所属的区间，评估管系及支吊架的健康状态并确定缺陷解决方案。

若管系及支吊架的健康评分A_总＜满分A_max的60％，即A_总＜60，表示管系及支吊架缺陷严重，则缺陷解决方案为必须立刻解决

若满分A_max的60％≤管系及支吊架的健康评分A_总＜满分A_max的90％，即60≤A_总＜90，表示管系及支吊架缺陷重要，则缺陷解决方案为进行监督运行，防止缺陷进一步升级。

若管系及支吊架的健康评分A_总≥满分A_max的90％，即A_总≥90，表示管系及支吊架缺陷一般，则缺陷解决方案为不做任何措施，等待下次全面检查时进行整改。

上述方案基于支吊架应力分析有限元模型，对如支吊架断裂、荷载下降、恒力弹簧运行至极限等因素对管系应力状态影响进行加权赋值，从而对管系的进行量化打分评估。面向非专业用户，可以通过分值反映管系及支吊架的健康状况，对于健康状况不好的管道，提供基本的整改建议。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种管系及支吊架健康状态量化评估方法，用于对核电厂中的管系及支吊架进行健康状态评估，其特征在于：所述管系及支吊架健康状态量化评估方法包括以下步骤：

步骤1：确定评估分制及对应的满分A_max；

步骤2：检测所述管系及支吊架的一次应力百分比b₁、二次应力百分比b₂，根据所述管系及支吊架的一次应力百分比b₁与所述管系及支吊架设计时的一次应力百分比b_1设的关系、所述管系及支吊架的二次应力百分比b₂与所述管系及支吊架设计时的二次应力百分比b_2设的关系以及所述满分A_max确定所述管系及支吊架的基础得分A；

步骤3：根据所述满分A_max和基础得分A确定所述管系及支吊架的标准扣分值Δ_i；

步骤4：检测所述管系及支吊架出现的缺陷，并根据所述缺陷对应的权重α_i和所述标准扣分值Δ_i计算所述管系及支吊架的应扣分B；

步骤5：根据所述满分A_max和所述管系及支吊架的应扣分B计算所述管系及支吊架的健康评分A_总；

步骤6：根据所述管系及支吊架的健康评分A_总所属的区间，评估所述管系及支吊架的健康状态并确定缺陷解决方案；

所述步骤2中，若检测到所述管系及支吊架的一次应力百分比b₁等于所述管系及支吊架设计时的一次应力百分比b_1设，则所述管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁等于所述满分A_max，若检测到所述管系及支吊架的一次应力百分比b₁为100％，则所述管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁等于所述满分A_max的60％，若检测到所述管系及支吊架的一次应力百分比b₁在所述管系及支吊架设计时的一次应力百分比b_1设与100％之间，则进行线性插值法确定在所述满分A_max的60％至所述满分A_max之间的所述管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁；

若检测到所述管系及支吊架的二次应力百分比b₂等于所述管系及支吊架设计时的二次应力百分比b_2设，则所述管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂等于所述满分A_max，若检测到所述管系及支吊架的二次应力百分比b₂为100％，则所述管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂等于所述满分A_max的60％，若检测到所述管系及支吊架的二次应力百分比b₂在所述管系及支吊架设计时的二次应力百分比b_2设与100％之间，则进行线性插值法确定在所述满分A_max的60％至所述满分A_max之间的所述管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂；

计算所述管系及支吊架的基础得分A的方法为：

A＝β₁A₁+β₂A_2；

其中，A₁为所述管系及支吊架的关于一次应力的基础得分，A₂为所述管系及支吊架的关于二次应力的基础得分，β₁为所述管系及支吊架的一次应力的权重系数，β₂为所述管系及支吊架的二次应力的权重系数；

所述步骤3中，计算所述管系及支吊架的标准扣分值Δ_i的方法为：

Δ_i＝A_max-A；

所述步骤4中，计算所述管系及支吊架的应扣分B的方法为：

B＝∑α_iΔ_i；

其中，所述缺陷对应的权重α_i的取值范围为0～2.0；

所述步骤5中，计算所述管系及支吊架的健康评分A_总的方法为：

A_总＝int(A_max-B)。

2.根据权利要求1所述的一种管系及支吊架健康状态量化评估方法，其特征在于：所述步骤1中，所述评估分制采用百分制，对应的满分A_max为100分。

3.根据权利要求1所述的一种管系及支吊架健康状态量化评估方法，其特征在于：所述步骤2中，进行线性插值法确定所述管系及支吊架的关于一次应力的基础得分A₁的方法为：

；

进行线性插值法确定所述管系及支吊架的关于二次应力的基础得分A₂的方法为：

。

4.根据权利要求1所述的一种管系及支吊架健康状态量化评估方法，其特征在于：所述步骤2中，所述管系及支吊架的一次应力的权重系数β₁为0.8，所述管系及支吊架的二次应力的权重系数β₂为0.2。

5.根据权利要求1所述的一种管系及支吊架健康状态量化评估方法，其特征在于：所述步骤6中，若所述管系及支吊架的健康评分A_总＜所述满分A_max的60％，表示所述管系及支吊架缺陷严重，则缺陷解决方案为必须立刻解决；若所述满分A_max的60％≤所述管系及支吊架的健康评分A_总＜所述满分A_max的90％，表示所述管系及支吊架缺陷重要，则缺陷解决方案为进行监督运行，防止缺陷进一步升级；若所述管系及支吊架的健康评分A_总≥所述满分A_max的90％，表示所述管系及支吊架缺陷一般，则缺陷解决方案为不做任何措施，等待下次全面检查时进行整改。