CN210513487U - 一种火力发电厂管道应力解耦分析系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种火力发电厂管道应力解耦分析系统。本实用新型中的管道前侧面斜上应变片、管道后侧面斜上应变片、管道前侧面斜下应变片、管道后侧面斜下应变片、管道正下方应变片、管道顶部周向应变片和管道顶部轴向应变片均安装在管道上，夹具左抱箍和夹具右抱箍通过夹具上部联接螺栓和夹具下部联接螺栓安装在管道上，补偿块固定螺栓安装在夹具右抱箍上，补偿块通过补偿块固定螺栓安装在管道上，补偿块应变片安装在补偿块上，管道前侧面斜上应变片、管道后侧面斜上应变片、管道前侧面斜下应变片、管道后侧面斜下应变片、管道正下方应变片、管道顶部周向应变片、管道顶部轴向应变片和补偿块应变片均与计算机连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种火力发电厂管道应力解耦分析系统。
背景技术
火力发电厂中汽水管道较多，特别是高温、高压蒸汽管道，受力及强度计算相当复杂，管道本体的应力检测方法受制于各种因素，测量不准确，或是无法测量。而由于管道失效引起的安全生产事故随着机组的运行时间增长逐年增加，成为火力发电厂生产运营的一大安全隐患。因此，对于火力发电厂金属管道的状态进行监督，确保安全风险被及时发现，对电厂安全生产来说意义重大。
随着我国电测技术的发展，各种型号以及不同温度范围的应变片相继出现，因而可用高温电阻应变片测量管道及其它构件上的应力。应力实测可较完整地反映管道的实际应力状态，为正确判断管系运行可靠性提供依据。
管系应力主要包括，管道承受自身重力和介质重量所承受的弯矩和剪切力所引起的应力，管道受内部介质压力作用承受的轴向应力力、周向应力和径向剪应力，管道温度变化引起的二次应力。管道受温度变化引起的二次应力有，轴向应力、周向应力，以及弯曲应力和扭转应力。
由于应力种类复杂，以测量应变为依据的应力电测技术测量结果是一种综合的应力，无法分析测量数据。并且应力引起的应变对于管道应力的影响，并不是简单的叠加，因此大多数情况下，若简单的去测量一个应变，测量结果为一个没有任何意义的一个数据。
随着数字化电厂技术的发展，以及国家和行业对生产安全的日益重视，实现管道状态监测，并能测量出管道上相关的应力，准确及时的分析管道安全风险，意义重大。
具体来说目前管道应力分析均存在以下问题：
(1)只能离线分析。利用各种现成的应力分析软件，根据电厂生产现场情况和设计图纸，进行管道建模，模拟各种工况下的管道应力。但这只是模拟，与实际情况相差较大，且是离线的数据，无法实时反映管道的状态风险。
(2)高温环境下应变片的热输出影响。由于应变片本身也是一种电阻性金属材料，难免要受到温度变化的影响，从而影响测量结果的准确性。
(3)测量是综合应变。单纯的就测量应变而言，对于单向应力是比较简单的。对于多项力，或是更为复杂的受力物体而言，无法确定应变片布置方案。
(4)应力无法解耦。应变测量为一个各种应力综合的作用的一个外在体现，在没有对管系受力进行全面的分析的情况下，在没有科学合理的布片方案情况下，无法确定下来合理的应力解耦方法，无法将这些叠加的应力一一分离出来，也就无法判断管道实际各项应力如何。
因此，火力发电厂管道应力解耦分析系统的研究意义重大且很有必要。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，既能解决不能及时进行应力监测的问题，又能适应电厂的高温运行环境，设计温度补偿和灵敏系数修正，减小应变片热输出影响，按需求进行管道在线应力监测，同时能够将检测的结果进行应力解耦，分离出各相关的应力，最终得到管道各类应力值的火力发电厂管道应力解耦分析系统。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：该火力发电厂管道应力解耦分析系统，其结构特点在于：包括管道、管道前侧面斜上应变片、管道后侧面斜上应变片、管道前侧面斜下应变片、管道后侧面斜下应变片、管道正下方应变片、管道顶部周向应变片、管道顶部轴向应变片、补偿块应变片、补偿块、计算机、夹具上部联接螺栓、补偿块固定螺栓、夹具下部联接螺栓、夹具左抱箍和夹具右抱箍；所述管道前侧面斜上应变片、管道后侧面斜上应变片、管道前侧面斜下应变片、管道后侧面斜下应变片、管道正下方应变片、管道顶部周向应变片和管道顶部轴向应变片均安装在管道上，所述夹具左抱箍和夹具右抱箍通过夹具上部联接螺栓和夹具下部联接螺栓安装在管道上，所述补偿块固定螺栓安装在夹具右抱箍上，所述补偿块通过补偿块固定螺栓安装在管道上，所述补偿块应变片安装在补偿块上，所述管道前侧面斜上应变片、管道后侧面斜上应变片、管道前侧面斜下应变片、管道后侧面斜下应变片、管道正下方应变片、管道顶部周向应变片、管道顶部轴向应变片和补偿块应变片均与计算机连接。
进一步地，所述补偿块安装在管道的外侧金属壁上。
进一步地，所述管道前侧面斜上应变片与管道前侧面斜下应变片垂直设置、且均与管道的轴线呈45°夹角设置，所述管道后侧面斜上应变片与管道后侧面斜下应变片垂直设置、且均与管道的轴线呈45°夹角设置，所述管道正下方应变片和管道顶部轴向应变片的安装方向均与管道的轴线平行设置，所述管道顶部周向应变片的安装方向与管道的轴线垂直设置。
进一步地，本实用新型的另一个技术目的在于提供一种火力发电厂管道应力解耦分析系统的分析方法。
本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的。
一种火力发电厂管道应力解耦分析系统的分析方法，其特点在于：所述分析方法如下：(一)应变片以单桥测量方式布置，管道前侧面斜上应变片的应变计算公式(A)：
ε2＝εT+εN+εt (A)
其中：ε2——管道前侧面斜上应变片的应变，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
(二)管道前侧面斜下应变片的应变计算公式(B)：
ε4＝-εT+εN+εt (B)
其中：ε4——管道前侧面斜下应变片，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
由于应变片都一样，因此扭矩、轴向力和温度引起的应变是一样的，即εT、εN、εt数值是一样的，只是方向不同而已；
(三)管道后侧面斜上应变片的应变计算公式(C)：
ε3＝εT+εN+εt (C)
其中：ε3——管道后侧面斜上应变片的应变，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
(四)管道后侧面斜下应变片的应变计算公式(D)：
ε5＝-εT+εN+εt (D)
其中：ε5——管道后侧面斜下应变片的应变，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
(五)扭矩解耦计算，考虑温度补偿和抵消热输出影响，采用单桥路布管然后人工计算组桥的方式，来进行应力解耦，分离出各个种类的受力，扭矩按照人工计算全桥方式解耦，人工解耦计算公式：
εdsw＝ε2-ε3+ε4-ε5＝εT+εN+εt-(-εT+εN+εt)+(εT+εN+εt)-(-εT+εN+εt)
其中：εdsw——管道应变解耦计算结果，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
根据剪应力分析公式，
可知扭矩为：
其中：E——弹性模量，MPa；
T——管道所受扭矩，N.m；
τmax——管道周向剪应力，MPa；
Wt——管道抗弯截面系数，cm3；
μ——泊松比，无量纲；
(六)弯矩和拉压力解耦计算：
管道正下方应变片的应变计算公式(E)：
ε6＝-εM+εN+εt (E)
管道顶部周向应变片的应变计算公式(F)：
ε7＝-μεN+εt (F)
管道顶部轴向应变片的应变计算公式(G)：
ε8＝εM+εN+εt (G)
其中：ε6——管道正下方应变片的应变，无量纲；
ε7——管道顶部周向应变片的应变，无量纲；
ε8——管道顶部轴向应变片的应变，无量纲；
εM——弯矩引起的应变，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
μ——泊松比，无量纲；
考虑温度补偿和抵消热输出影响，采用单桥路布管然后人工计算组桥的方式，来进行应力解耦，分离出各个种类的受力，弯矩按照人工计算全桥方式解耦，人工解耦计算该公式：
εdsm＝ε6-ε8＝-εM+εN+εt-(εM+εN+εt)
εdsn＝ε6+ε8-2ε7＝-εM+εN+εt+(εM+εN+εt)-2(-μεN+εt)
其中：εdsm——弯矩应变耦合计算结果，无量纲；
εdsn——轴向力应变耦合计算结果，无量纲；
因此可以计算得到弯矩M＝WZ·σmax＝-WZ·E·εdsm/2
轴向力N＝E·εdsn/2/(1+μ)
其中：σmax——最大弯曲应力，MPa；
WZ——管道抗弯截面系数，cm3；
M——管道所受弯矩，N.m；
M——管道所受轴向力，N；
E——弹性模量，MPa；
(七)根据以上步骤，既可以得到管道扭矩、弯矩、轴向力，将轴向力代入公式(F)进一步解耦计算可以得到周向应力，从而完成全部应力解耦计算。
进一步地，根据材料力学原理，可知管道剪切应力最大的位置是与轴向成45°角斜面上。
进一步地，首先分析剪应力，分为周向剪应力和径向剪应力；管道周向剪应力主要由扭矩、轴向力、热应力引起；径向的剪应力较小对管道安全不起主要作用，且无法通过应变电测技术测量得到；因此分析以周向剪应力为主。
相比现有技术，本实用新型具有以下优点：
该火力发电厂管道应力解耦分析系统可以对金属管道本体的应力状态进行在线技术监督，解决了只能监督支吊架的局限，丰富金属技术监督的手段，同样有利于提高机组运行的安全性；同时解决了一直以来高温部件应力状态无法检测的难题，利用解耦的方法实现了应变片热输出互相抵消，将应变检测误差降到了最小；同时利用本专利布置方式和应力解耦方法，解决了一直困扰行业人员的综合应变难题，将一个复杂的综合应变分离出一个个单一种类的应力应变，首次实现了应力应变解耦。
这样实现了火力发电厂管道本体的应力在线监测，实现了火力发电厂金属专业对于管道部件的在线技术监督，降低了电厂运行安全风险，同时避免了针对性不强的大范围管道金属检测工作，该项工作通过大范围管道金属检测判断管道应力状态。
火力发电厂管道应力解耦分析系统具有较好的经济效益和社会效益，解决了目前电厂管道，特别是高温高压金属管道应力无法检测无法解耦的难题；由此可见，火力发电厂管道应力解耦分析系统科学、合理、简洁实用、可操作性强。
附图说明
图1是本实用新型实施例的火力发电厂管道应力解耦分析系统的连接关系示意图。
图2是本实用新型实施例的火力发电厂管道应力解耦分析系统的立体结构示意图。
图3是本实用新型实施例的火力发电厂管道应力解耦分析系统的主视结构示意图。
图4是本实用新型实施例的火力发电厂管道应力解耦分析系统的俯视结构示意图。
图中：管道1、管道前侧面斜上应变片2、管道后侧面斜上应变片3、管道前侧面斜下应变片4、管道后侧面斜下应变片5、管道正下方应变片6、管道顶部周向应变片7、管道顶部轴向应变片8、补偿块应变片9、补偿块10、计算机11、夹具上部联接螺栓12、补偿块固定螺栓13、夹具下部联接螺栓14、夹具左抱箍15、夹具右抱箍16。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1至图4所示，须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中若有引用如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
本实施例中的火力发电厂管道应力解耦分析系统，包括管道1、管道前侧面斜上应变片2、管道后侧面斜上应变片3、管道前侧面斜下应变片4、管道后侧面斜下应变片5、管道正下方应变片6、管道顶部周向应变片7、管道顶部轴向应变片8、补偿块应变片9、补偿块10、计算机11、夹具上部联接螺栓12、补偿块固定螺栓13、夹具下部联接螺栓14、夹具左抱箍15和夹具右抱箍16。
本实施例中的管道前侧面斜上应变片2、管道后侧面斜上应变片3、管道前侧面斜下应变片4、管道后侧面斜下应变片5、管道正下方应变片6、管道顶部周向应变片7和管道顶部轴向应变片8均安装在管道1上，夹具左抱箍15和夹具右抱箍16通过夹具上部联接螺栓12和夹具下部联接螺栓14安装在管道1上，补偿块固定螺栓13安装在夹具右抱箍16上，补偿块10通过补偿块固定螺栓13安装在管道1上，也就是说补偿块10安装在管道1的外侧金属壁上，补偿块应变片9安装在补偿块10上，管道前侧面斜上应变片2、管道后侧面斜上应变片3、管道前侧面斜下应变片4、管道后侧面斜下应变片5、管道正下方应变片6、管道顶部周向应变片7、管道顶部轴向应变片8和补偿块应变片9均与计算机11连接，实现在线应力监测。
本实施例中的管道前侧面斜上应变片2与管道前侧面斜下应变片4垂直设置、且均与管道1的轴线呈45°夹角设置，管道后侧面斜上应变片3与管道后侧面斜下应变片5垂直设置、且均与管道1的轴线呈45°夹角设置，管道正下方应变片6和管道顶部轴向应变片8的安装方向均与管道1的轴线平行设置，管道顶部周向应变片7的安装方向与管道1的轴线垂直设置。
本实施例中的火力发电厂管道应力解耦分析系统的分析方法，如下：
(一)应变片以单桥测量方式布置，管道前侧面斜上应变片2的应变计算公式(A)：
ε2＝εT+εN+εt (A)
其中：ε2——管道前侧面斜上应变片2的应变，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
(二)管道前侧面斜下应变片4的应变计算公式(B)：
ε4＝-εT+εN+εt (B)
其中：ε4——管道前侧面斜下应变片4，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
由于应变片都一样，因此扭矩、轴向力和温度引起的应变是一样的，即εT、εN、εt数值是一样的，只是方向不同而已；
(三)管道后侧面斜上应变片3的应变计算公式(C)：
ε3＝εT+εN+εt (C)
其中：ε3——管道后侧面斜上应变片3的应变，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
(四)管道后侧面斜下应变片5的应变计算公式(D)：
ε5＝-εT+εN+εt (D)
其中：ε5——管道后侧面斜下应变片5的应变，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
(五)扭矩解耦计算，考虑温度补偿和抵消热输出影响，采用单桥路布管然后人工计算组桥的方式，来进行应力解耦，分离出各个种类的受力，扭矩按照人工计算全桥方式解耦，人工解耦计算公式：
εdsw＝ε2-ε3+ε4-ε5＝εT+εN+εt-(-εT+εN+εt)+(εT+εN+εt)-(-εT+εN+εt)
其中：εdsw——管道应变解耦计算结果，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
根据剪应力分析公式，
可知扭矩为：
其中：E——弹性模量，MPa；
T——管道所受扭矩，N.m；
τmax——管道周向剪应力，MPa；
Wt——管道抗弯截面系数，cm3；
μ——泊松比，无量纲；
(六)弯矩和拉压力解耦计算：
管道正下方应变片6的应变计算公式(E)：
ε6＝-εM+εN+εt (E)
管道顶部周向应变片7的应变计算公式(F)：
ε7＝-μεN+εt (F)
管道顶部轴向应变片8的应变计算公式(G)：
ε8＝εM+εN+εt (G)
其中：ε6——管道正下方应变片6的应变，无量纲；
ε7——管道顶部周向应变片7的应变，无量纲；
ε8——管道顶部轴向应变片8的应变，无量纲；
εM——弯矩引起的应变，无量纲；
εT——扭矩引起的管道应变，无量纲；
εN——轴向力引起的管道应变，无量纲；
εt——温度引起的管道应变，无量纲；
μ——泊松比，无量纲；
考虑温度补偿和抵消热输出影响，采用单桥路布管然后人工计算组桥的方式，来进行应力解耦，分离出各个种类的受力，弯矩按照人工计算全桥方式解耦，人工解耦计算该公式：
εdsm＝ε6-ε8＝-εM+εN+εt-(εM+εN+εt)
εdsn＝ε6+ε8-2ε7＝-εM+εN+εt+(εM+εN+εt)-2(-μεN+εt)
其中：εdsm——弯矩应变耦合计算结果，无量纲；
εdsn——轴向力应变耦合计算结果，无量纲；
因此可以计算得到弯矩M＝WZ·σmax＝-WZ·E·εdsm/2
轴向力N＝E·εdsn/2/(1+μ)
其中：σmax——最大弯曲应力，MPa；
WZ——管道抗弯截面系数，cm3；
M——管道所受弯矩，N.m；
M——管道所受轴向力，N；
E——弹性模量，MPa；
(七)根据以上步骤，既可以得到管道扭矩、弯矩、轴向力，将轴向力代入公式(F)进一步解耦计算可以得到周向应力，从而完成全部应力解耦计算。
本实施例中，根据材料力学原理，可知管道剪切应力最大的位置是与轴向成45°角斜面上；首先分析剪应力，分为周向剪应力和径向剪应力；管道周向剪应力主要由扭矩、轴向力、热应力引起；径向的剪应力较小对管道安全不起主要作用，且无法通过应变电测技术测量得到；因此分析以周向剪应力为主。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (3)
1.一种火力发电厂管道应力解耦分析系统，其特征在于：包括管道(1)、管道前侧面斜上应变片(2)、管道后侧面斜上应变片(3)、管道前侧面斜下应变片(4)、管道后侧面斜下应变片(5)、管道正下方应变片(6)、管道顶部周向应变片(7)、管道顶部轴向应变片(8)、补偿块应变片(9)、补偿块(10)、计算机(11)、夹具上部联接螺栓(12)、补偿块固定螺栓(13)、夹具下部联接螺栓(14)、夹具左抱箍(15)和夹具右抱箍(16)；所述管道前侧面斜上应变片(2)、管道后侧面斜上应变片(3)、管道前侧面斜下应变片(4)、管道后侧面斜下应变片(5)、管道正下方应变片(6)、管道顶部周向应变片(7)和管道顶部轴向应变片(8)均安装在管道(1)上，所述夹具左抱箍(15)和夹具右抱箍(16)通过夹具上部联接螺栓(12)和夹具下部联接螺栓(14)安装在管道(1)上，所述补偿块固定螺栓(13)安装在夹具右抱箍(16)上，所述补偿块(10)通过补偿块固定螺栓(13)安装在管道(1)上，所述补偿块应变片(9)安装在补偿块(10)上，所述管道前侧面斜上应变片(2)、管道后侧面斜上应变片(3)、管道前侧面斜下应变片(4)、管道后侧面斜下应变片(5)、管道正下方应变片(6)、管道顶部周向应变片(7)、管道顶部轴向应变片(8)和补偿块应变片(9)均与计算机(11)连接。
2.根据权利要求1所述的火力发电厂管道应力解耦分析系统，其特征在于：所述补偿块(10)安装在管道(1)的外侧金属壁上。
3.根据权利要求1所述的火力发电厂管道应力解耦分析系统，其特征在于：所述管道前侧面斜上应变片(2)与管道前侧面斜下应变片(4)垂直设置、且均与管道(1)的轴线呈45°夹角设置，所述管道后侧面斜上应变片(3)与管道后侧面斜下应变片(5)垂直设置、且均与管道(1)的轴线呈45°夹角设置，所述管道正下方应变片(6)和管道顶部轴向应变片(8)的安装方向均与管道(1)的轴线平行设置，所述管道顶部周向应变片(7)的安装方向与管道(1)的轴线垂直设置。
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| GR01 | Patent grant | ||
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