楊勁，范旭

(中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院，廣東廣州510663)

目前國內(nèi)600 MW級火電機組針對有溫汽水管道普遍采用應(yīng)力分析手段輔助設(shè)計管道布置，但應(yīng)力分析手段在煤粉管道的應(yīng)用較少，支吊架和補償器的設(shè)計缺乏合理性和科學(xué)性。

本研究應(yīng)用CAESARⅡ軟件對送粉管道進行應(yīng)力分析。管道應(yīng)力分析保證管道在設(shè)計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支承或端點附加位移造成應(yīng)力問題。通過管道力學(xué)分析證明管系在承受與每類工況相關(guān)的荷載時不發(fā)生失效〔1-2〕。通過計算軟件進行應(yīng)力分析，數(shù)據(jù)精確、結(jié)果可靠，用其輔助管道設(shè)計，可以合理地布置支吊架，精確計算支吊架個數(shù)及荷載，為管道支吊架的設(shè)計提供依據(jù)，同時也可以得出管件、補償器等管道配件的準(zhǔn)確設(shè)計參數(shù)。

1 送粉管道布置方案

某600 MW級火電機組順煤倉布置方案送粉管道布置為:主廠房布置格局采用常規(guī)四列式布置(即汽機房、除氧間、煤倉間、鍋爐房)。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，燃燒器采用6層布置，標(biāo)高分別為 25.878 m，27.760 m，29.642 m，31.524 m，33.406 m，35.288 m。配6臺中速磨煤機，每臺磨對應(yīng)4根送粉管連接每層的燃燒器。

送粉管道設(shè)計溫度為80℃，設(shè)計壓力0.35 MPa，管徑 Φ610 mm×10 mm，耐磨彎管 (Φ660 mm×35 mm、帶直段)。設(shè)計范圍從磨煤機接口(采用卡箍式柔性管接頭)至燃燒器處耐磨彎管。

原送粉管道布置方案主要存在如下問題:接口熱位移不明確、支吊架設(shè)置過密、固定點設(shè)置不合理、補償器設(shè)置數(shù)量和位置不合理、管道存在熱膨脹趨勢等。以下取最短 (A1)和最長 (F2)2根送粉管道為例進行分析。

2 管道應(yīng)力分析

2.1 應(yīng)力分析內(nèi)容

當(dāng)應(yīng)力的值達到或超過材料的強度極限時，材料就可能發(fā)生諸如過度變形、開裂、斷裂、失穩(wěn)等現(xiàn)象，導(dǎo)致材料失效或被破壞。壓力、重力、風(fēng)、地震、壓力脈動、沖擊等外力荷載和熱膨脹的存在，是管道產(chǎn)生應(yīng)力問題的主要原因。管道上的應(yīng)力一般分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力3 類〔3〕。

管道應(yīng)力分析的任務(wù)，主要是對管道進行載荷、應(yīng)力、變形等各類力學(xué)分析，使管道在設(shè)計條件內(nèi)的各種載荷的作用下，能有效地抵抗不被允許的變形、位移和破壞，保證管道的安全性和經(jīng)濟性。對一般管道，通常只做靜力分析即可，主要包括:1)一次應(yīng)力計算及評定，防止管道塑性變形破壞;2)二次應(yīng)力計算及評定，防止管道疲勞破壞;3)設(shè)備管口受力計算及評定，防止作用力太大，保證設(shè)備正常運行;4)支承點受力計算，為支吊架設(shè)計提供依據(jù)。

2.2 邊界條件和工況設(shè)置

送粉管道的邊界條件主要取決于管道進出接口，起點根據(jù)卡箍式柔性管接頭特性，軸向允許間隙5～44 mm，徑向角度偏轉(zhuǎn)允許1°～4°。進口設(shè)置為X，Y向限位，間隙取1.5 mm，Z向自由膨脹由柔性管接頭吸收;同時驗證當(dāng)Z向只允許5 mm位移時對接口的推力。終點取耐磨彎管垂直管道處三維補償器進口作為自由端。

CAESARⅡ軟件計算時分別選取運行及設(shè)計參數(shù)下的冷態(tài)工況、熱態(tài)運行工況和熱脹工況。

2.3 模型建立

針對國內(nèi)某600 MW級火電機組送粉管道A1和F2進行管道建模，根據(jù)前面論述定義管道設(shè)計參數(shù)、邊界條件和計算工況，管系接近最后一個耐磨彎管垂直管道處設(shè)置三維補償器用于吸收鍋爐爐膛向下熱膨脹和爐膛的橫向碰撞及送粉管道的熱位移，除此以外不另設(shè)補償器。

水平直管道支吊架最大間距按剛度條件〔4〕計算取12 m，帶彎管水平管最大間距取8.8 m。固定點結(jié)合鍋爐鋼架條件設(shè)置在較長的垂直管段上，接近固定點的水平管采用彈簧吊架，其余管道支承處均采用剛性支吊架。

2.4 分析結(jié)果

A1送粉管道變形趨勢如圖1所示，管道1為冷態(tài)膨脹后的管道，管道2為熱態(tài)膨脹后的管道。介質(zhì)流向從下往上 (磨煤機出口至補償器進口)，固定點設(shè)置在出口垂直管段，使整個管系位移以固定點為中心往兩端膨脹，磨煤機出口熱位移Dx=0.1 mm，Dy=-1.5 mm，Dz=-7.5 mm，出口水平管道上需設(shè)置彈簧吊架減少設(shè)備推力。補償器進口熱位移Dx=11.5 mm，Dy=9.6 mm，Dz=0.2 mm。應(yīng)力分析冷態(tài)工況和熱脹工況下的受力均在材料許用應(yīng)力范圍，各彈簧和剛性支吊架的荷載約為30 kN，固定點荷載為60 kN，僅當(dāng)燃燒器垂直管段需加補償器。當(dāng)磨煤機出口Z向位移限制5 mm時，熱態(tài)時管道對磨煤機的推力為Fx=0，F(xiàn)y=-40.3 kN，F(xiàn)z=-45 kN。

圖1 A1送粉管道變形趨勢圖

F2送粉管道變形趨勢如圖2所示，管道1為冷態(tài)膨脹后的管道，管道2為熱態(tài)膨脹后的管道，介質(zhì)流向從下往上 (磨煤機出口至補償器進口)，固定點設(shè)置在補償器進口垂直管段，此處固定點距管道起點較遠，為減小接口位移在磨煤機出口耐磨彎管直段上設(shè)剛性支吊架 (剛吊)。磨煤機出口熱位移Dx=1.5 mm，Dy=-1.5 mm，Dz=-0.2 mm;接口推力為Fx=1.1 kN，F(xiàn)y=-0.72 kN，F(xiàn)z=0。固定點所在垂直段下方的水平管近彎管處設(shè)置彈簧支吊架 (彈吊)減小固定點受力，以平衡荷載。

圖2 F2送粉管道變形趨勢圖

由于補償器進口距固定點近，各向熱位移基本可忽略 (Dx=0，Dy=0，Dz=3.6 mm)。整個管系冷態(tài)工況和熱脹工況下的應(yīng)力均在材料許用應(yīng)力范圍，各剛性和彈簧支吊架的荷載約為20 kN，固定點荷載65 kN，支吊架受力均勻，管系熱位移小。此外補償器也僅在近燃燒器垂直管道上設(shè)置。

3 布置優(yōu)化

針對典型的2根送粉管道 (A1和F2)的受力分析，重新對管道支吊架位置和形式進行調(diào)整，合理選擇補償器設(shè)置，使得整個管系受力均衡，設(shè)備接口推力小，熱膨脹有效限制。

4 結(jié)論

對于磨煤機和燃燒器相隔較近的送粉管道(類似A1)，磨煤機出口水平管段宜設(shè)置彈簧吊架減小設(shè)備推力，固定點設(shè)置于垂直管道上，其余均采用剛性支吊架，支吊架間距可接近最大允許值。整個管系僅在近燃燒器處設(shè)置三相補償器。

對于磨煤機和燃燒器相隔較遠的送粉管道(類似F2)，磨煤機出口設(shè)置剛性吊架限制垂直位移，固定點設(shè)置在近燃燒器的垂直管道上，并在下方彎管水平處設(shè)置彈簧吊架減少固定點的推力，避免集中荷載。其余支吊架均采用剛性形式，間距可接近滿足剛度要求的最大允許值。同樣整個管系只在近燃燒器處設(shè)置三相補償器。

〔1〕龍忠輝.CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件開發(fā)應(yīng)用〔J〕.化工設(shè)備與管道，2001(3):50-53.

〔2〕王新慶.基于管道應(yīng)力分析的管道系統(tǒng)設(shè)計研究〔J〕.給水排水，2012(8):24-28.

〔3〕萬波，趙浩.管道設(shè)計中的應(yīng)力分析〔J〕.廣東化工，2013，40(5):161-162.

〔4〕DL/T 5054—1996火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定〔S〕.北京:中國電力出版社，1996.