疏水管道弹簧吊架受力状态实时同步测试

朱晓锋，陈 骋，蒋思阳

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

电厂汽水管道支吊架的作用是承受管道重力、偶然的冲击载荷和控制管道在工作状态下的位移和振动。随着机组运行时间的累积，管道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。

应变测试技术是应用最广泛和适用性最强的应力应变分析方法之一。其中，应变电测法主要使用电阻应变计进行测量，电阻应变计具有测量准确度和灵敏度高、测量范围广的特点，能连续测量和记录，能实现远距离测量；此外，它还能方便地应用于控制系统中，使生产过程自动化。因此，应变电测法逐步应用于各种工程结构的应力分析中。

1 AHP疏水系统弹簧吊架破坏分析

高压给水加热器系统(AHP)的功能是利用汽轮机高压缸的抽汽加热给水，并接收汽水分离再热器疏水，以进一步提高机组热力循环效率。高压给水加热器系统包括给水系统、抽汽系统、疏水系统、放气系统及卸压系统。AHP疏水管道B列有限元模型如图1所示。

疏水系统运作过程中，汽水分离再热器第1级再热器的疏水经隔离阀和控制阀排入高压加热器疏水箱，其闪发蒸汽则进入高压加热器汽侧，疏水箱疏水先进入高压加热器壳体与高压加热器自身的疏

水汇集后，经过疏水阀(217VL)所在管道排往除氧器。疏水量由高压加热器水位控制器自动控制，当水位过高时，开启应急疏水阀(218VL)直接排往冷凝器。另外，当机组负荷小于40 %额定负荷时，由于抽气压力较低，高压加热器内压力不足以把疏水送到除氧器，则由高水位信号开启应急疏水阀把疏水直接排往冷凝器。在机组大修停机降功率过程中，位于立管管道编号为AHP-L041-S028的立管弹簧吊架弹簧发生破坏，弹簧箱上部顶板脱落。

图1 AHP疏水管道B列有限元模型

2 弹簧吊架破坏原因预判

AHP疏水管道B列AHP-L041-S028可变弹簧吊架为Carpenter & Paterson Ltd产品，该产品弹簧箱与弹簧压板的连接方式并非焊接，而是采用搭接方式。该连接方式的优点是能保护管道、降低管道损伤，即在出现紧急情况时以弹簧破坏为代价保护管道。因此，预判AHP-L041-S028可变弹簧吊架发生破坏的原因是，在大修停机降功率过程中，该处的载荷超过了弹簧承载的最大允许值。

经研究，能够引起弹簧超载的原因主要有以下4点：

(1) 管道布置设计不合理，导致管道应力超标，载荷超过弹簧允许值；

(2) 弹簧安装或设计不合理，导致弹簧承受的实际载荷超出设计载荷；

(3) 运行操作不当，导致管道发生振动或冲击；

(4) 阀门卡涩导致管道发生振动或冲击。

因此，首先对该管道进行校核，校核前后弹簧的参数值如表1所示。可知，弹簧校核值与设计值基本一致。另外，管道一次应力与二次应力均未超过许用应力的30 %。

表1 AHP-L041-S028可变弹簧校核结果与原设计参数

其次，通过与运行人员的沟通，确认机组在大修停机降功率过程中，运行操作完全符合核电机组运行操作规程。

综上所述，从现有信息难以判断AHP疏水管道B列AHP-L041-S028可变弹簧吊架破坏的原因。因此，按原设计对该弹簧进行恢复，并做加固处理。在机组第2次大修停机降功率过程中，通过应变电测技术以及动态信号测试系统，对AHP疏水管线B列所有立管可变弹簧吊架载荷变化情况进行实时监测与记录，以期找出弹簧破坏原因。

3 实时同步测试方案

3.1 应变电测法的基本原理

应变电测法是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变—应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。

这种方法是将电阻应变片粘贴在被测构件的表面，当构件发生变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变计将此电阻值的变化转换成电压(或电流)的变化，再换算成应变值；或者输出与此应变成正比的电压(或电流)信号，再由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力值。

3.2 应变电测法的优点

(1) 测量灵敏度和精度高。其最小应变为1µε(µε—微应变，1µε=10-6ε)。在常温静态测量时，误差一般为1 %～3 %；动态测量时，误差在3 %～5 %范围内。

(2) 测量范围广。

(3) 频率响应好，可以测量从静态到动态的应变。

(4) 轻便灵活，在现场或野外等恶劣环境下均可进行测试。

(5) 在高、低温或高压环境等特殊条件下也可进行测量。

(6) 便于与计算机联结进行数据采集与处理，易于实现数字化、自动化及无线电遥测。

3.3 测试技术方案

此次测试针对AHP疏水管道B列AHPL041-S028与AHP-L041-S027 2组立管可变弹簧吊架载荷变化情况进行实时监测与记录。组成2个全桥(惠斯通电桥)测试通道，采用全桥补偿法进行温度补偿，以消除温度变化的影响。

此次测试系统主要由信号源、电阻应变计、动态信号采集仪(东华测试DN5956信号测试分析系统)、数据采集卡与计算机软件平台组成。系统构成如图2所示。

图2 测试系统构成

由圣维南原理可知，电阻应变计测点位置应选择在距离弹簧吊杆中部的名义应变处，并采用全桥布置形式，以提高测试精度，如图3所示。弹簧吊杆尺寸为M30。

图3 应变测点布置方案

4 测试结果与分析

通过对测试数据的详细分析，发现在机组第2次大修停机降功率过程中，AHP-L041-S028与AHP-L041-S027 2组立管可变弹簧吊架载荷总体变化较为平稳。

根据测得的应变时间曲线可知，AHPL041-S028弹簧载荷曾出现连续波动变化，持续时间约7 min，最大应变幅值为33 µε，约为4 900 N；而AHP-L041-S027弹簧载荷未出现较大波动变化。

将测试结果与管道运行工况进行比对后发现，弹簧载荷出现连续波动阶段刚好对应应急疏水阀218VL初始调节阶段。此时正常疏水的逆止阀处于频繁的开关阶段，由于动作时间很短，故正常疏水管线的水量变化较剧烈，管道内部引起程度较高的水锤，从而导致AHP-L041-S028弹簧载荷出现连续波动变化。

AHP-L041-S028弹簧的设计工作载荷为16 458 N，从测试结果可以看出，在载荷波动阶段，最大载荷变化幅值约为4 900 N，弹簧实际载荷最大达到18 900 N。因此认为，在这一阶段，由于AHP-L041-S028弹簧的实际载荷超过了弹簧的最大允许值，导致弹簧失效破坏。

基于上述分析结果，可进行如下处理：

(1) 对218VL疏水阀与逆止阀进行解体润滑，以防止阀门卡涩；

(2) 在AHP-L041-S028弹簧与AHP-L041-S027弹簧之间增加粘滞阻尼器，在不影响管道自由膨胀的前提下增大管道系统阻尼，减小管道振动，降低疲劳应力。

基于应变电测技术以及动态信号测试系统相结合的测试手段，对AHP疏水管道B列所有立管变力弹簧吊架载荷变化情况进行实时监测与记录，结合测试结果与系统运行工况分析弹簧发生破坏的原因并给出处理措施，防止弹簧再次破坏。

5 实时同步测试系统的优点

基于应变电测技术的可变弹簧吊架受力状态实时同步测试系统具有以下优点。

(1) 该测试系统为便携式无损检测系统，轻便灵活，在测试过程中不会破坏弹簧吊架工作的原始工况。

(2) 该测试系统为动态信号测试分析系统，采样频率最高可达100 kHz，具备极强的抗干扰能力，可以准确捕捉到由于机组功率变化或者水锤引起的弹簧载荷变化峰值。

(3) 该测试系统采用以电阻应变计为基础的电测技术，测试精度高、抗疲劳特性好，并且全桥测试技术可以补偿温度引起的热应变。

(4) 该测试系统为多通道实时同步采集系统，可以同步记录各通道的载荷变化情况，并将数据累计以载荷—时间曲线的形式显示。其中的曲线拟合功能可便于准确捕捉载荷峰值出现时间以及观测载荷变化情况。

(5) 该测试系统的超大容量硬盘可帮助系统进行长期不间断的测试。

6 结束语

测试结果清晰地反映出，在停机降功率过程中，AHP疏水管道B列所有立管可变弹簧吊架载荷变化的情况。为正确分析与判断导致弹簧发生破坏的原因、制定正确的治理方案提供了可靠依据。

该测试系统实时、同步、无损、可靠与准确等特点，增强了应变测试技术在管道应力应变测试中的实用性。

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