支吊架20钢管夹断裂原因分析

王海帅，刘　明，何桂宽，杨　林，高扬

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

支吊架20钢管夹断裂原因分析

王海帅，刘明，何桂宽，杨林，高扬

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

针对某电厂供热抽汽管道管夹断裂事故，采用有限元分析软件ABAQUS，对断裂管夹实际工作状态进行数值仿真模拟。结果发现，材料许用应力超标是导致管夹断裂的主要原因。通过对比计算分析，选择规格合适的增强型管夹，确保了管道的安全运行。

20钢；有限元分析；断裂

0　引言

支吊架作为管道系统的重要组成部分，在管系中起着承受载荷、限制位移及控制振动等作用。支吊架失效会导致管道应力水平提高、使用寿命变短，严重影响机组的安全运行［1］。实践发现，设计计算及制造误差、组件选型不当、及投产后检修维护不良等因素均会造成支吊架失效。本文以某电厂供热抽汽管道弹簧吊架失效为例，采用ABAQUS分析了20钢管夹发生断裂的原因，讨论了支吊架组件选型应注意的问题，及选型不当对管系安全运行的影响。

1　工程案例

2014年10月，某电厂2×600MW超临界机组运行过程中，供热抽汽管道#401弹簧吊架发生管夹断裂事故，管夹几何形状及断裂部位见图1所示。其中，管夹材质为20钢，供热抽汽管道（规格Φ920×13）设计温度380℃，设计压力1.0MPa。#410弹簧吊架主要设计参数见表1。

2　原因分析及解决方案

2.1管夹应力分布

采用有限元分析软件ABAQUS，对断裂管夹的实际工作状态进行数值仿真模拟。考虑到结构的对称性，建立1/2结构的有限元模型，如图2所示。边界条件设置如下：管夹与管道之间设置为刚性接触，对称面上按照结构力学中的对称边界设置法向约束，管道两端面施加固定约束。结合管夹的实际工作状态，在最上面一颗管夹螺栓上施加竖直向上的载荷35684N，即1/2管夹工作载荷。

图1　管夹几何形状及断裂部位

表1　#410弹簧吊架主要设计参数

图2　D2型管夹有限元分析模型

图3　D2型管夹mises应力云图

假定管道运行状态下，管夹温度与管道设计温度（380℃）相同，仿真计算时取该温度条件下工作状态为分析状态。计算过程中所需20钢相关参数见表2。

表2　20钢相关参数

计算结果，如图3所示，应力最大点出现在管夹折弯处，且该区域存在一定的应力集中现象。此外还发现，最大mises应力为136MPa，超过了材料许用应力92MPa，仅略小于380℃条件下材料的屈服强度139MPa。由此可认为，超载是导致管夹断裂的主要原因。

2.2管夹选型及解决方案

上述分析可知，D2型管夹强度不足，不能满足管道系统安全运行的要求。参考西北电力设计院《火力发电厂汽水管道支吊架设计手册》，建议将管夹型号更换为D2A型。其中，D2和D2A型管夹主要参数对比情况见表3。

表3　D2和D2A型管夹主要参数对比情况［3］

图4　D2A型管夹有限元分析模型

图5　D2A型管夹mises应力云图

更换为D2A型管夹后，重新进行仿真模拟（见图4、5）。计算结果表明，最大mises应力为70MPa，小于材料许用应力（92MPa），能够满足系统安全运行的需要。

2.3讨论

工程材料在制造、加工及使用过程中会不可避免地产生各种缺陷，如气孔、渣、缺口等，在外部载荷作用下，这些裂纹和微缺陷会进一步扩展，当裂纹尺寸达到临界尺寸时，材料就会发生断裂［4］。这类缺陷大大降低了结构的承载能力，甚至会导致结构完全失效。

而在高温环境下工作的设备或结构，根据其工作寿命的长短，可划分为长期负载、中长期负载及短期负载设备等。当构件中存在裂纹时，不同的负载情况下，需采用不同的方法来评定其安全性［5］。有学者［6］认为，对于长期负载下的构件，裂纹的蠕变是安全性评定主要影响因素。张淑佳等人［5］研究了20g钢在高温下的断裂行为发现，在400℃左右裂纹的扩展速率较快，应尽量避免超载。这一发现对于解释此次20钢管夹断裂原因也有一定的借鉴意义。

3　结语

（1）运行状态下，应力最大点位于管夹折弯处，超过了材料许用应力，且出现了应力集中现象，许用应力超标是导致管夹断裂的主要原因；

（2）支吊架组件选型不当会造成支吊架失效，给机组运行留下安全隐患，日常检查中应加强监督。

［1］郭延军.火力发电厂在役管道支吊架失效分析［J］.热力发电，2008，37（2）：84～86.

［2］DL/T 5054-1996，火力发电厂汽水管道设计技术规定［S］.北京：中国电力出版社，1996.

［3］火力发电厂汽水管道支吊架设计手册［S］.西安：水力电力部西北电力设计院，1983.

［4］何庆芝，郦正能.工程断裂力学［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1993.

［5］张淑佳，卢炎麟，洪起超，等.20g钢在高温下的断裂行为［J］.化工机械，2000，27（3）：139～142.

［6］Webster G A.Fracture mechanics in creep range［J］.Strain Analysis，1994，29：215～223.

Analysis on Reason of Fracture of 20 Steel Pipe Clamp of Support-hanger

WANG Hai-shuai，LIU Ming，HE Gui-kuan，YANG Lin，GAO Yang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

The reason of fracture of clip of heat-supply extraction steam pipe in some power plant was investigated by ABAQUS analysis，which could simulate the real product operation conditions of the clip.Results showed that the allowable stress of 20 steel exceeded critical value was the main reason.The problem was solved with a strengthened pipe clamp used.

20 steel；Finite element；Fracture

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.012

TM621.7

B

2095-3429（2015）04-0042-03

2015-07-22

修回日期：2015-08-06

王海帅（1988-），男，湖北人，硕士，主要从事火电厂管道支吊架系统的检测与振动防治研究工作。