田成川，張　浩

（1.華電電力科學(xué)研究院東北分院，遼寧沈陽110000；2.沈陽金山能源股份有限公司金山熱電分公司，遼寧沈陽110100）

某電廠600MW超臨界機(jī)組四大管道支吊架調(diào)整改造

田成川1，張浩2

（1.華電電力科學(xué)研究院東北分院，遼寧沈陽110000；2.沈陽金山能源股份有限公司金山熱電分公司，遼寧沈陽110100）

本文介紹了某電廠6號(hào)機(jī)組四大管道支吊架的現(xiàn)狀及存在的問題，對(duì)四大管道系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)力核算，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行了應(yīng)力分析。綜合分析管道支吊架存在問題的原因，提出整改方案，并進(jìn)行了調(diào)整、改造工作，使管道支吊架恢復(fù)正常狀態(tài)。

管道支吊架；應(yīng)力分析；材質(zhì)錯(cuò)用；管夾開裂；管道沉降

0　引言

某電廠6號(hào)機(jī)組為600MW超臨界機(jī)組，2011年投入運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行過程中再熱（熱段）蒸汽管道1組支吊架管部結(jié)構(gòu)焊口多次開裂，經(jīng)檢查該管道多組恒力支吊架連續(xù)壓死，管道不能按原設(shè)計(jì)正常位移。此種情況，原有恒力吊架所起到的作用等同于剛性吊架，恒力吊架的功能件不能起到相應(yīng)的作用，對(duì)于運(yùn)行溫度為508℃的再熱（熱段）蒸汽管道來說，豎直管道的膨脹量將全部通過彎頭的變形來吸收，勢必造成管道系統(tǒng)的二次應(yīng)力急劇升高，縮短管道的壽命。

管道支吊架是管道的重要附件，是影響管道使用壽命的主要因素之一，特別是金屬監(jiān)督工作重點(diǎn)的四大管道（主蒸汽、再熱蒸汽和主給水管道），更應(yīng)該重視管道支吊架的檢驗(yàn)和調(diào)整工作。

1　四大管道及支吊架狀態(tài)分析

通過對(duì)該廠6號(hào)機(jī)組四大管道支吊架冷態(tài)、熱態(tài)對(duì)比分析，評(píng)估了各管道支吊架宏觀狀態(tài)，再熱（熱段）蒸汽管道支吊架問題最為嚴(yán)重，爐頂水平管道多組恒力吊架壓死，管道有下沉跡象。

通過對(duì)該機(jī)組的四大管道支吊架進(jìn)行冷、熱狀態(tài)宏觀檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)支吊架存在的主要問題有：恒力支吊架冷、熱狀態(tài)位置異常；支吊架承載狀況不正常，存在過載、欠載、失載現(xiàn)象；吊桿偏斜嚴(yán)重、彎曲變形；橫擔(dān)偏斜以及支吊架損壞失效等問題詳見表1，存在問題較嚴(yán)重的再熱（熱段）蒸汽管道支吊架布置示意圖如圖1所示。

表1　四大管道支吊架缺陷問題

2　四大管道系統(tǒng)的應(yīng)力分析

管道支吊架的調(diào)整和改造，必須建立在管道系統(tǒng)應(yīng)力分析的基礎(chǔ)之上，盡可能使改造后的管道系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)得到優(yōu)化，確保管道系統(tǒng)應(yīng)力處于合格狀態(tài)[1]。一般情況下，一次應(yīng)力超過屈服極限或持久強(qiáng)度，管道將發(fā)生朔性破壞[2]。管道系統(tǒng)二次應(yīng)力過大，在應(yīng)變多次重復(fù)交變的工況下，易產(chǎn)生疲勞破壞[3]，尤其高溫、高壓主蒸汽管道彎頭是鍋爐系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)[4]。除應(yīng)力分析外，在管道設(shè)計(jì)方面，一般還要求計(jì)算管道端點(diǎn)對(duì)設(shè)備的推力和力矩。

2.1解決管道支吊架實(shí)際問題的計(jì)算分析方法

為解決管道支吊架的實(shí)際問題，需對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析。首先是對(duì)管道系統(tǒng)的應(yīng)力校核，即收集、審查原始設(shè)計(jì)資料，校核原設(shè)計(jì)是否存在問題。再結(jié)合管道支吊架的實(shí)際狀態(tài)，對(duì)管道支吊架進(jìn)行評(píng)估。大多數(shù)情況下四大管道系統(tǒng)原設(shè)計(jì)應(yīng)力狀態(tài)是合格的，對(duì)于管道支吊架存在的一般性問題，可以通過逐個(gè)調(diào)整達(dá)到設(shè)計(jì)要求的工作狀態(tài)[5]。然而，影響管道支吊架的實(shí)際狀態(tài)的因素有很多，如設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)整、運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)都可能造成管道支吊架狀態(tài)異常。那么支吊架問題嚴(yán)重的管道系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，則需要利用管道支吊架的實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)管道支吊架狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，找到一條既經(jīng)濟(jì)又能保證管道安全的解決途徑。

2.2管道系統(tǒng)應(yīng)力校核條件

管道系統(tǒng)應(yīng)力校核條件主要有三個(gè)方面：內(nèi)壓折算應(yīng)力、一次應(yīng)力、二次應(yīng)力。內(nèi)壓折算應(yīng)力校核條件：

式中σeq─內(nèi)壓折算應(yīng)力，MPa；

p─設(shè)計(jì)壓力，MPa；

Do─管子外徑，mm；

S─管子實(shí)測最小壁厚，mm；

Y─溫度對(duì)計(jì)算管子壁厚公式的修正系數(shù)；

η─許用應(yīng)力的修正系數(shù)；

α─考慮腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度的附加厚度，mm；

[σ]t─鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

一次應(yīng)力校核條件：

式中σL—壓力引起的軸向力之外的附加軸向外力，N；

Di─管子內(nèi)徑，mm；

MA─由于自重和其它持續(xù)外載作用在管子橫截面上的合成力矩，N·mm；

W─管子截面抗彎矩，mm3；

i—應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，0.75i不得小于1。

二次應(yīng)力校核條件：

式中[σ]20─鋼材在20℃時(shí)的許用應(yīng)力，MPa；

MC─按全補(bǔ)償值和鋼材在20℃時(shí)的彈性模數(shù)計(jì)算的，熱脹引起的合成力矩，N·mm；

σE─熱脹應(yīng)力范圍，MPa；

f─應(yīng)力范圍的減小系數(shù)。

2.3四大管道應(yīng)力校核

管道系統(tǒng)屬于超靜定桿件結(jié)構(gòu)，計(jì)算方法基本上分為力法和位移法，現(xiàn)今常用的有限元應(yīng)力分析法就是一種位移法[6]。將管道分成許多直單元或弧單元，利用單元與臨接單元的力的平衡條件和變形連續(xù)條件列出整個(gè)管道系統(tǒng)的變形協(xié)調(diào)方程。研究的核心是管道的機(jī)械強(qiáng)度和剛度問題[7]。對(duì)于該機(jī)組四大管道我們采用的計(jì)算參數(shù)詳見表2，通過管道有限元分析軟件Auto Pipe計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表2　管道計(jì)算的主要參數(shù)

表3　各管系的最大應(yīng)力值

由以上計(jì)算結(jié)果可知，各管系的應(yīng)力狀態(tài)合格，再熱（熱段）蒸汽管道最大應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值達(dá)到87%，應(yīng)力值偏大。其他三條管道最大一次應(yīng)力、二次應(yīng)力與其許用應(yīng)力比值均在70%以下。原管道系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)良好，管道支吊架現(xiàn)存的問題與設(shè)計(jì)無關(guān)。如果各管道支吊架制造、安裝質(zhì)量正常，應(yīng)能滿足承受管道載荷、控制管道位移的作用。

3　恒力吊架性能測試

恒力吊架用于管道熱膨脹較大的位置，由于其在行程較大范圍內(nèi)輸出載荷恒定的特性，在高溫汽水管道中得到廣泛的應(yīng)用。然而近幾年，在一些電廠中發(fā)現(xiàn)存在管道支吊架制造質(zhì)量不合格現(xiàn)象。為解決管道支吊架的實(shí)際問題，需對(duì)原有恒力吊架性能進(jìn)行測試，以了解管道支吊架的實(shí)際受力狀態(tài)。

恒力吊架性能主要有兩個(gè)指標(biāo)，恒力吊架的恒定度和載荷偏差度。

式中Δ—恒定度；

WMax—整個(gè)回轉(zhuǎn)過程最大載荷值，MPa；

式中λ—載荷偏差度；

Wb—標(biāo)準(zhǔn)載荷值，MPa；

Wa—拔銷時(shí)實(shí)測載荷，MPa。試驗(yàn)采用BLR-1型拉壓力傳感器以及CD1型測試儀表，對(duì)再熱（熱段）蒸汽管道抽取了14、15號(hào)恒力吊架進(jìn)行了測量。測試以行程10%點(diǎn)（此點(diǎn)載荷即為拔銷載荷）為起點(diǎn)，以行程90%點(diǎn)為終點(diǎn)，平均分成5點(diǎn)進(jìn)行載荷測量，詳細(xì)測量結(jié)果見表4。2組恒力吊架恒定度分別為14.9%和30.1%遠(yuǎn)大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6%，2組恒力吊架載荷偏差度分別為15.4%和53.5%遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的5%，由此可知該管道恒力吊架制造質(zhì)量不合格。

從測量數(shù)據(jù)還可以得出，2組恒力吊架下行載荷遠(yuǎn)大于上行載荷，14號(hào)吊架最大載荷偏差9950N，15號(hào)吊架最大載荷偏差34095N。同時(shí)，2組恒力吊架上行載荷均小于原設(shè)計(jì)載荷，15號(hào)吊架上行最小載荷較原設(shè)計(jì)小11229N，小了23.5%。說明該批恒力吊架機(jī)構(gòu)摩擦阻力較大，當(dāng)用于管道熱膨脹方向向上的位置時(shí)，管道支吊架的實(shí)際載荷要遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)載荷，再熱（熱段）蒸汽管道13-21號(hào)恒力吊架正是此種情況。WMin—整個(gè)回轉(zhuǎn)過程最小載荷值，MPa。

表4　恒力吊架恒定度測量

4　管道支吊架調(diào)整改造

管道支吊架調(diào)整改造方案，是根據(jù)四大管道支吊架系統(tǒng)的應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)比管道支吊架冷、熱狀態(tài)變化，綜合分析確定的。由于四大管道支吊架原設(shè)計(jì)應(yīng)力狀態(tài)合格，主蒸汽管道、再熱（冷段）蒸汽管道及主給水管道支吊架不存在大量壓死、脫空現(xiàn)象，管道支吊架現(xiàn)存的問題主要是由于支吊架安裝、和個(gè)別支吊架制造質(zhì)量缺陷造成的，可以通過逐個(gè)調(diào)整使其恢復(fù)正常。再熱（熱段）蒸汽管道支吊架爐側(cè)部分存在連續(xù)8組恒力吊架壓死狀況，此8組恒力吊架熱位移方向均向上，通過恒力吊架性能測試可知，壓死的原因?yàn)楹懔Φ跫苌闲休d荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)載荷，為保障改管道的安全性，同時(shí)又考慮經(jīng)濟(jì)性需對(duì)該管道支吊架進(jìn)行改造。

4.1四大管道中的共性問題處理方式

對(duì)結(jié)構(gòu)不合理的支吊架進(jìn)行改造，使其不影響管道膨脹；對(duì)連接件失效的進(jìn)行更換，使其滿足管道支吊架承載條件；對(duì)安裝錯(cuò)誤的支吊架重新安裝；將漏油的阻尼器進(jìn)行更換；對(duì)冷、熱態(tài)承載異常的支吊架進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到設(shè)計(jì)安裝載荷；對(duì)制造質(zhì)量不合格的恒力吊架進(jìn)行更換。對(duì)于重新選型的支吊架進(jìn)行更換和安裝。對(duì)材質(zhì)錯(cuò)用的支吊架管部結(jié)構(gòu)件以及管部焊接件進(jìn)行了更換。

4.2再熱（熱段）蒸汽管道改造方案

由于該管道支吊架存在問題較多，如果按原設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)該管道進(jìn)行應(yīng)力分析與實(shí)際情況相差較大。該管道14、15、19、21號(hào)恒力吊架冷、熱狀態(tài)均處于壓死狀態(tài)，那么這四組恒力吊架實(shí)際所起的作用為剛性吊架。按剛性吊架狀態(tài)對(duì)其分析，則該管道一次應(yīng)力未發(fā)生變化，管道二次應(yīng)力最大值在T1三通位置達(dá)到306.807MPa，是二次許用應(yīng)力的1.54倍，管道應(yīng)力超標(biāo)，管道系統(tǒng)最大應(yīng)力值見表5。同時(shí)，對(duì)于該管道29號(hào)彈簧支架管部焊接元件多次開裂的問題，為避開管部焊接環(huán)節(jié)，尋求其他解決辦法。即可取消29號(hào)彈簧支架，在28、29號(hào)吊架相鄰的水平管道上各增加一組吊架，避免在P91管道母材進(jìn)行管部元件焊接。

綜上所述，選擇對(duì)14、15號(hào)恒力吊架重新選型，增加此兩組恒力吊架載荷；對(duì)28號(hào)吊架上側(cè)彎頭、29號(hào)吊架下側(cè)彎頭處各增加1組吊架，需重新選型設(shè)計(jì)。14號(hào)恒力吊架選型為（T2.216+T2.216），載荷由原33316N增加至57500N；15號(hào)恒力吊架選型為（2×LHC 48-160/43450S-M36），載荷由原47766N增加至86900N。立管上下側(cè)選型分別為（LHC 48-120/57950S-M42、T2.117）。對(duì)吊架重新選型后，管道的最大一次應(yīng)力為48.6MPa，與許用應(yīng)力的比值為69%，系統(tǒng)最大二次應(yīng)力為170.6MPa，與許用應(yīng)力的比值為85.5%（見表5），改造后管道系統(tǒng)應(yīng)力合格，管道系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)良好。

表5　再熱（熱段）蒸汽管道的實(shí)際最大應(yīng)力值

5　結(jié)語

對(duì)該機(jī)組四大管道支吊架調(diào)整改造后，各管道支吊架冷、熱態(tài)均達(dá)到正常承載狀態(tài)。造成該機(jī)組四大管道支吊架存在缺陷的主要因素有以下三個(gè)方面：

（1）產(chǎn)品制造質(zhì)量因素：主要是恒力吊架產(chǎn)品制造質(zhì)量較差，恒定度、載荷偏差度要求達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求；一些生產(chǎn)廠家沒有產(chǎn)品測試實(shí)驗(yàn)裝置，不能完成出廠實(shí)驗(yàn)。

（2）安裝因素：新建機(jī)組，管道支吊架安裝工作很多被分包，安裝單位不具備相應(yīng)資質(zhì)；監(jiān)理單位技術(shù)力量不強(qiáng)，沒有相關(guān)技術(shù)人員。

（3）監(jiān)督檢驗(yàn)因素：本機(jī)組鍋爐廠配管部分，管夾及卡塊材料合金含量分別為Cr14%、Ni6%、Mn4%左右，不符合任何一種高溫用不銹鋼的成分要求，管夾及卡塊材質(zhì)成分接近于200系列不銹鋼，適合于400℃以下使用。材質(zhì)錯(cuò)用現(xiàn)象在超臨界機(jī)組中多次發(fā)生，說明在管道制造監(jiān)檢和安裝監(jiān)檢力度不足。

四大管道支吊架作為金屬監(jiān)督的一項(xiàng)重要內(nèi)容，引起了越來越多的重視。建議對(duì)于新建機(jī)組，電力生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該在設(shè)計(jì)、采購、安裝、運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)加以控制。且各發(fā)電企業(yè)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)新建機(jī)組四大管道支吊架進(jìn)行全面檢驗(yàn)，必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整、改造。

[1]王致祥，梁志釗，孫國模，等.管道應(yīng)力分析與計(jì)算[M].北京：水利水電出版社，1983.41-45；255-266.

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[5]田成川，閔玲春，徐云啟.某電廠350MW機(jī)組再熱（熱段）蒸汽管道下沉治理[J].東北電力技術(shù)，2011,32（08）：30-32.

[6]田成川，徐云啟，閔玲春.某電廠冷啟動(dòng)蒸汽疏水管道三通開裂問題治理[J].東北電力技術(shù)，2011,32（12）：30-32.

[7]送岢岢.壓力管道設(shè)計(jì)及工程實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007. 14-18.

Adjustment and Transformation for Four Pipe Hangers of a 600MW Supercritical Unit of a Plant

TIAN Cheng-chuan1，ZHANG Hao2
（1.Northeast Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Shenyang 110000，China；2.Jinshan Thermoelectric Branch of Shenyang Jinshan Energy Co.，Ltd，Shenyang 110100，China）

Thispapersummarizes thestatusand problems of the#6Unit ofa powerplant.Wehave the stress calculation for the fourpipesystem aswellas the stressanalysiscombinedwith theactualsituation.Itgivesaproposalon thecomprehensiveanalysis of theproblems ofthe pipehangers.The pipehangershave thenormalconditionsbyadjustingand transformation.

pipe hangers；stress analysis；material misuse；crack of pipe clamps；pipe Settlement

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.012

TM621

B

2095-3429（2016）05-0048-05

田成川（1983-），男，遼寧大連人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，從事管道應(yīng)力分析、管道支吊架檢驗(yàn)調(diào)整以及特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。

2016-02-16

2016-09-07