槽式光熱電站大管徑導(dǎo)熱油管道水壓試驗(yàn)堵板的分析及優(yōu)化

孟凡珂，武景麗

槽式光熱電站大管徑導(dǎo)熱油管道水壓試驗(yàn)堵板的分析及優(yōu)化

孟凡珂1，武景麗2

（1.山東電力建設(shè)第三工程有限公司工程咨詢?cè)海綎| 青島 266101；2.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所中國(guó)科學(xué)院生物燃料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101）

大管徑、高壓導(dǎo)熱油管道的水壓試驗(yàn)一直是槽式光熱電站試驗(yàn)難點(diǎn)之一，其中水壓試驗(yàn)堵板是其中最主要的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)于槽式光熱電站大管徑導(dǎo)熱油管道，若采用常規(guī)角焊平堵板容易出現(xiàn)鼓脹變形、焊縫開(kāi)裂，導(dǎo)致水壓試驗(yàn)失敗，甚至出現(xiàn)安全問(wèn)題。本文通過(guò)研究對(duì)比不同水壓試驗(yàn)堵板的計(jì)算方法，結(jié)合國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程中水壓試驗(yàn)堵板的設(shè)計(jì)，提出了一種通過(guò)雙重加強(qiáng)環(huán)和輻狀加強(qiáng)肋來(lái)提高堵板剛度，減小堵板厚度，加強(qiáng)焊接強(qiáng)度的水壓試驗(yàn)堵板的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。結(jié)果表明：這種雙重加強(qiáng)環(huán)配合輻狀加強(qiáng)肋的整體式對(duì)焊堵板設(shè)計(jì)，不但有效的提高了堵板剛度，且優(yōu)化后堵板厚度從70 mm縮小到27.3 mm，相當(dāng)原來(lái)的39%。對(duì)于槽式光熱電站大管徑導(dǎo)熱油管道水壓試驗(yàn)，優(yōu)化后的堵板有較好的適用性，已成功地應(yīng)用于國(guó)外光熱電站的施工建設(shè)過(guò)程中。

槽式光熱電站；導(dǎo)熱油管道；大管徑；水壓試驗(yàn)；堵板；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

槽式太陽(yáng)能電站是商運(yùn)最早的太陽(yáng)能光熱發(fā)電站。導(dǎo)熱油作為槽式光熱電站中關(guān)鍵的吸熱、換熱工質(zhì)[1-3]，超過(guò)一定溫度運(yùn)行時(shí)，化學(xué)鍵易發(fā)生斷裂分解氧化，導(dǎo)致管道壓力增加[4-5]。因此，導(dǎo)熱油管道一般管徑大、壓力高。以裝機(jī)容量200 MW的摩洛哥NOORII槽式光熱電站導(dǎo)熱油管道為例，其外徑1 016 mm，管道設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa[6]。這種大管徑、高壓導(dǎo)熱油管道的水壓試驗(yàn)一直是一個(gè)難點(diǎn)，而水壓試驗(yàn)堵板是其中最主要的薄弱環(huán)節(jié)。

常規(guī)管道水壓試驗(yàn)采用角焊平堵板?？紤]到導(dǎo)熱油管道管徑大致使堵板的受力面積和受到的盲板力增大，若采用常規(guī)設(shè)計(jì)的角焊平堵板則經(jīng)常出現(xiàn)堵板變形鼓脹、焊縫開(kāi)裂等問(wèn)題，導(dǎo)致水壓試驗(yàn)失敗，甚至帶來(lái)安全隱患。為了提高堵板剛度，通常采取增加鋼板厚度的方法。管道直徑越大，水壓試驗(yàn)壓力越高，堵板厚度越大，由此計(jì)算出來(lái)的堵板厚度超出常規(guī)鋼板產(chǎn)品的厚度規(guī)格，往往需要特殊定制，增加了采購(gòu)成本和難度。

本文針對(duì)大管徑水壓試驗(yàn)堵板容易鼓脹變形和焊縫開(kāi)裂的兩大問(wèn)題，分別從增強(qiáng)堵板剛度（材料抗形變能力）和提高堵板與管道焊接強(qiáng)度2個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化研究，以期開(kāi)發(fā)一種針對(duì)大管徑導(dǎo)熱油管道的水壓試驗(yàn)堵板，提高水壓試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)性。

1 常規(guī)堵板厚度計(jì)算方法

根據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5054—2016），當(dāng)采用常規(guī)角焊平堵板時(shí)，平封頭或堵板的厚度m計(jì)算公式為

式中：D為封頭或堵板內(nèi)徑，取相連管道的最大內(nèi)徑，mm；[]為設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力，MPa；為設(shè)計(jì)壓力，MPa；、分別為與封頭結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)表1選取，對(duì)于只用于水壓試驗(yàn)的堵板，按照設(shè)計(jì)要求采取表1中的第2種封頭形式[7]，確定封頭結(jié)構(gòu)形式系數(shù)=0.4，=1.05。

表1 封頭結(jié)構(gòu)形式系數(shù)

Tab.1 The structural form factor of the head

2 常規(guī)堵板減小厚度方案

針對(duì)上述問(wèn)題，通常采取焊接方式加強(qiáng)肋板剛度以減小堵板厚度。常規(guī)堵板常采用井字型加強(qiáng)肋，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。這種加強(qiáng)肋在管徑不大于DN600的堵板上比較常見(jiàn)，且厚度減少較為明顯[6]；而對(duì)于管徑超過(guò)DN600的堵板則加強(qiáng)效果欠佳。由于管道堵板受力最大、剛度最薄弱的位置位于堵板圓心，產(chǎn)生變形時(shí)的應(yīng)力從圓心向管壁方向成輻射狀擴(kuò)散。而這種沿橫向和豎向設(shè)置的井字型加強(qiáng)肋與堵板應(yīng)力方向不一致，且隨著管徑越大，這種不一致越明顯。所以對(duì)于大管徑的導(dǎo)熱油管道堵板，這種井字型加強(qiáng)筋并不適用。

圖1 井字型加強(qiáng)肋堵板結(jié)構(gòu)示意

3 大管徑水壓試驗(yàn)堵板優(yōu)化

3.1 采用加強(qiáng)肋提高堵板剛度

針對(duì)大管徑導(dǎo)熱油管道堵板的受力特點(diǎn)，本文提出在堵板中心設(shè)計(jì)焊接環(huán)形加強(qiáng)環(huán)，并在加強(qiáng)環(huán)外側(cè)像車輪輻條一樣焊接多條輻狀布置加強(qiáng)筋，以提高堵板剛度，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 環(huán)形加強(qiáng)肋堵板結(jié)構(gòu)示意

由于導(dǎo)熱油管道管徑大，其堵板可以近似看作壓力容器的平蓋封頭。根據(jù)《壓力容器第3部分：設(shè)計(jì)》（GB 150.3—2011）中5.9.5條關(guān)于輻狀加強(qiáng)肋圓形平蓋封頭厚度的計(jì)算公式，可以根據(jù)式(2)計(jì)算出堵板厚度p。

式中：為焊接接頭系數(shù)，對(duì)于單面焊接，=0.9，對(duì)于雙面焊接，=1；為當(dāng)量直徑，由式(3)計(jì)算得到，一般取圖2中1和2中較大者；c為管道設(shè)計(jì)壓力，4.0 MPa。

式中，為肋板數(shù)量，當(dāng)≥6時(shí)，1≈2。

肋板的高厚比一般在5~8范圍內(nèi)。

代入導(dǎo)熱油管道的管徑和壓力等參數(shù)，當(dāng)設(shè)計(jì)肋板數(shù)量為6，取1時(shí)（雙面焊接），計(jì)算可得堵板厚度為32.89 mm，這相比于常規(guī)平堵板70 mm的厚度減少50%以上，且堵板厚度隨肋板數(shù)的增多而減少?？梢?jiàn)，采用這種加強(qiáng)環(huán)配合輻狀布置加強(qiáng)肋的方式可有效加強(qiáng)堵板剛度，減小堵板厚度。

3.2 增強(qiáng)堵板與管道焊接強(qiáng)度

上述帶輻狀加強(qiáng)肋的堵板形式及其與工藝管道的焊接形式如圖3所示。雖然這種方法增強(qiáng)了堵板的剛度，降低堵板厚度，但是堵板與工藝管道的焊結(jié)方式為角焊。由于角焊縫的焊接強(qiáng)度較低，對(duì)于大管徑導(dǎo)熱油管道，在至少1.5倍管道設(shè)計(jì)壓力的水壓試驗(yàn)壓力下，會(huì)產(chǎn)生非常大的盲板力。根據(jù)盲板力計(jì)算公式（式(4)），對(duì)于本例管道D=1 000 mm，=4.0 MPa，計(jì)算可得水壓試驗(yàn)產(chǎn)生的盲板力=4.71×106N。在如此高強(qiáng)度的盲板力作用下，角焊縫很容易出現(xiàn)開(kāi)裂，所以必須同時(shí)對(duì)堵板與工藝管道的焊接形式進(jìn)行優(yōu)化。

本文對(duì)堵板的結(jié)構(gòu)焊接形式優(yōu)化如圖4所示，具體優(yōu)化措施如下。

1）采用了與工藝管道相同尺寸規(guī)格的外加強(qiáng)環(huán)（即為一段寬度較小的工藝管道），堵板采用雙面焊接的形式與外加強(qiáng)環(huán)焊接。由于堵板不但可以進(jìn)行雙面焊接，而且可以坡口焊接，其單面的焊縫熔深均大于角焊，所以這種焊接強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)角焊強(qiáng)度（2倍以上）。

2）外加強(qiáng)環(huán)與工藝管道進(jìn)行對(duì)焊。對(duì)焊可以通過(guò)坡口焊接的方式，熔深甚至可以超過(guò)管壁厚度，其焊接強(qiáng)度遠(yuǎn)超角焊。

3）輻狀加強(qiáng)肋的外邊與外加強(qiáng)環(huán)焊接，可以將堵板受力轉(zhuǎn)變?yōu)橥饧訌?qiáng)環(huán)的內(nèi)壓力，堵板整體焊接強(qiáng)度和剛度同時(shí)增加。

圖4 堵板與工藝管道焊接形式優(yōu)化

上述優(yōu)化既增加了堵板的焊接強(qiáng)度，又增加了堵板的剛度。由于堵板直徑減小，由厚度計(jì)算的當(dāng)量直徑也相應(yīng)縮小，以上述DN1 000導(dǎo)熱油管道為例，輻狀加強(qiáng)肋角焊堵板優(yōu)化后的當(dāng)量直徑縮小了17%，優(yōu)化后的堵板厚度是優(yōu)化前堵板厚度的39%(27.3 mm)。堵板厚度大大縮小。

3.3 優(yōu)化堵板在實(shí)際中的應(yīng)用

這種雙重加強(qiáng)環(huán)配合輻狀加強(qiáng)肋的整體式對(duì)焊堵板，其制作材料非常便于就地取材，內(nèi)、外環(huán)均可直接取自工藝管道安裝過(guò)程中的下腳料，所需的30 mm以內(nèi)厚度的鋼板材料也非常容易采購(gòu)和加工。而且，不同于常規(guī)角焊堵板只能一次性使用（打破角焊縫也會(huì)破壞堵板基體材料），這種新型堵板可以從工藝管道上帶管段整體切割下來(lái)，只要重新磨制外環(huán)坡口就可以重新焊接至下一段工藝管道上，用于水壓試驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)優(yōu)化的新型堵板，在山東電力建設(shè)第三工程有限公司所承擔(dān)的摩洛哥NOORII槽式光熱電廠的導(dǎo)熱油管道水壓試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用：安全高效地完成了總計(jì)28次水壓試驗(yàn)，約70處水壓堵板的循環(huán)測(cè)試[6]。在該項(xiàng)工程中，通過(guò)降低堵板厚度，節(jié)省特厚鋼板材料采購(gòu)費(fèi)用；循環(huán)利用堵板，縮減材料和制作費(fèi)用：2項(xiàng)措施共降低總費(fèi)用投資約10萬(wàn)美元。

對(duì)于槽式光熱電站大管徑導(dǎo)熱油管道的水壓試驗(yàn)，優(yōu)化后的堵板適用性較好，不但可降低工程施工的成本，而且增強(qiáng)了調(diào)試安全性，縮短了工 程整體進(jìn)度，提高了國(guó)內(nèi)電建企業(yè)在國(guó)際工程領(lǐng)域的市場(chǎng)聲譽(yù)，非常值得在國(guó)內(nèi)外光熱電站或其他工業(yè)行業(yè)需要進(jìn)行大管徑管道水壓試驗(yàn)的場(chǎng)合進(jìn)行推廣。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）常規(guī)管道水壓試驗(yàn)時(shí)采用的角焊堵板由于鼓脹變形、焊縫開(kāi)裂等問(wèn)題不適用于槽式光熱電站大管徑導(dǎo)熱油管道，存在安全隱患。

2）雙重加強(qiáng)環(huán)和輻狀加強(qiáng)肋可以提高堵板剛度，減小堵板厚度。優(yōu)化后，堵板厚度從70 mm縮小到27.3 mm，僅為優(yōu)化前堵板厚度的39%。

3）雙重加強(qiáng)環(huán)配合輻狀加強(qiáng)肋的整體式對(duì)焊堵板具有較好的適用性，成功地應(yīng)用于國(guó)外光熱電站的施工建設(shè)過(guò)程，可在槽式光熱電站水壓試驗(yàn)中大范圍推廣。

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Analysis and optimization for hydrostatic test blind plate of large-diameter HTF pipe in parabolic trough solar thermal power plants

MENG Fanke1, WU Jingli2

(1. Engineering Consulting Institute of SEPCOIII Electric Power Construction Co., Ltd., Qingdao 266101, China;2. Key Laboratory of Biofuels, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China)

The hydrostatic test of large-diameter heat-transfer-fluid (HTF) pipe has always been a difficult point in parabolic trough solar thermal power plants, in which the blind plate is the most important weak link. For the large-diameter HTF pipe of the parabolic trough solar thermal power plants, using the conventional flat welded blind plate easily causes swelling and deformation of the blind plate, and weld cracking, leading to failure of the water pressure test and even safety problems. To solve this problem, the different calculation methods of hydrostatic test blind plate were studied and compared. Combined with the design of hydrostatic test blind plate in practical projects at home and abroad, a new method combing double-reinforcement-ring and radial strengthening rib was developed in this paper to improve the stiffness of blind plate, reduce the plate thickness and strengthen the welding. The results indicated that, the design of the integral butt welding blind plate with double-reinforcement-ring combined with radial strengthening rib not only improves the stiffness of the blind plate effectively, but also reduces the thickness of the blind plate from 70 mm to 27.3 mm, which is equivalent to 39% of the original thickness. For the hydrostatic test of large-diameter HTF pipe of parabolic trough solar thermal power plants, the optimized blind plate exhibited better applicability, and it was successfully applied to the construction process of foreign solar thermal power stations.

parabolic trough solar thermal power plant, heat-transfer-fluid pipe, large-diameter, hydrostatic test, blind plate, structure optimization

TK514

A

10.19666/j.rlfd.201904088

孟凡珂, 武景麗. 槽式光熱電站大管徑導(dǎo)熱油管道水壓試驗(yàn)堵板的分析及優(yōu)化[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(8): 122-125. MENG Fanke, WU Jingli. Analysis and optimization for hydrostatic test blind plate of large-diameter HTF pipe in parabolic trough solar thermal power plants[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(8): 122-125.

2019-04-09

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2016EEQ15)

Supported by：Shandong Provincial Natural Science Foundation (ZR2016EEQ15)

孟凡珂(1982—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)椴凼焦鉄犭娬娟P(guān)鍵技術(shù)和運(yùn)行，mengfanke@sepco3.com。

武景麗(1981—)，女，博士，副研究員，wujl@qibebt.ac.cn。

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）