李 英, 唐 璐

(蘇州熱工研究院有限公司， 江蘇蘇州 215004)

管道支吊架是管道系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，起著承受管道載荷、限制管道位移和控制管道振動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)中合理布置和正確選擇支吊架，在制造中確保支吊架的性能和質(zhì)量，在安裝中準(zhǔn)確地定位、裝配和調(diào)整支吊架，對(duì)確保管道和設(shè)備安全運(yùn)行及延長(zhǎng)使用壽命有著很大的影響。管道支吊架和阻尼器的設(shè)計(jì)和安裝不合理將嚴(yán)重阻礙高溫高壓蒸汽管道的正常膨脹，危害機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。筆者對(duì)某機(jī)組管道支吊架檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)低溫再熱蒸汽管道大量恒力吊架出現(xiàn)異常情況進(jìn)行分析，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查和校核管道應(yīng)力找到了管道異常膨脹的主要原因，并嘗試通過(guò)更換低溫再熱蒸汽管道入口管道阻尼器及恒力吊架來(lái)解決問題。

1 現(xiàn)場(chǎng)異常情況

某電廠1號(hào)機(jī)組鍋爐為一次中間再熱、單爐膛、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、控制循環(huán)、采用平衡通風(fēng)、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式的燃煤汽包爐；汽輪機(jī)為反動(dòng)式、單軸、雙缸雙排汽、高中壓合缸、低壓缸分流、亞臨界中間一次再熱凝汽式汽輪機(jī)。

該機(jī)組低溫再熱蒸汽管道設(shè)計(jì)溫度為349 ℃，設(shè)計(jì)壓力為4.71 MPa，管徑d=558.8 mm、管壁厚度δ=16 mm和d=812.8 mm、δ=17.5 mm，沿鍋爐左右兩側(cè)布置，具體走向和吊架布置見圖1。

圖1 低溫再熱蒸汽管道及支吊架布置圖

經(jīng)冷、熱態(tài)支吊架檢查發(fā)現(xiàn)，該管道存在嚴(yán)重膨脹異常的情況，具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

(1) 低溫再熱器聯(lián)箱入口管道向下膨脹不暢，低溫再熱器聯(lián)箱入口原設(shè)計(jì)向下膨脹125 mm，該機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)膨脹指示器冷熱態(tài)位差顯示管道熱態(tài)向下膨脹最大值為35 mm，熱態(tài)低溫再熱器聯(lián)箱入口管段坡度異常，聯(lián)箱入口管段低、兩側(cè)高。

(2) 低溫再熱器聯(lián)箱入口管道恒力吊架指示異常，剛性吊架完全失載。鍋爐側(cè)低溫再熱蒸汽管道標(biāo)高在32.3～42.3 m處管道12號(hào)至20號(hào)恒力吊架冷熱態(tài)檢查全部處于異常，指針指示幾乎未變化。其中14號(hào)、19號(hào)恒力吊架熱態(tài)吊桿彎曲，嚴(yán)重失載；11號(hào)吊架完全失載?，F(xiàn)場(chǎng)檢查記錄見表1。

表1 低溫再熱蒸汽管道支吊架檢查記錄

(3) 鍋爐側(cè)低溫再熱蒸汽管道22號(hào)和23號(hào)阻尼器熱態(tài)處于極限位置，熱態(tài)承載，嚴(yán)重漏油，完全失效，見圖2。冷態(tài)阻尼器橫擔(dān)底部有15 mm間隙，21號(hào)橫擔(dān)阻尼器漏油，熱態(tài)橫擔(dān)底部有15 mm間隙，冷態(tài)承載。

圖2 22號(hào)阻尼器熱態(tài)極限承載狀態(tài)

2 原因分析

低溫再熱蒸汽管道接入鍋爐低溫再熱器聯(lián)箱，沿鍋爐左右兩側(cè)布置。整條管道有2個(gè)垂直方向上的膨脹分界點(diǎn)，分別是4號(hào)剛性吊架和11號(hào)剛性吊架。4號(hào)立管剛性吊架作為管系上的垂直膨脹分界點(diǎn)，剛性吊架上部管道熱態(tài)向上膨脹，剛性吊架下部管道熱態(tài)向下膨脹；水平管道上的11號(hào)橫擔(dān)剛性吊架作為水平管道“蹺蹺板”的支點(diǎn)，管道一側(cè)熱態(tài)向上膨脹，另一側(cè)熱態(tài)向下膨脹。聯(lián)箱入口低溫再熱蒸汽管道熱態(tài)隨鍋爐聯(lián)箱向下膨脹。圖1中，12號(hào)至23號(hào)吊架所在管道熱態(tài)均向下膨脹，5號(hào)至10號(hào)吊架所在管道熱態(tài)均向上膨脹，1號(hào)至3號(hào)支吊架所在管道熱態(tài)向下膨脹。

2.1 阻尼器連接方式存在缺陷

液壓阻尼器是一種對(duì)速度反應(yīng)靈敏的減振裝置，借助特殊閥門控制液壓缸活塞移動(dòng)以抑制管道或設(shè)備由于受周期性或沖擊性載荷的影響而產(chǎn)生的振動(dòng)，或用來(lái)承受安全閥排放或破管引起的持續(xù)推力。管道在安全閥沖擊力的作用下以超常速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其位移速度大于設(shè)定的閉鎖速度，產(chǎn)生阻尼力，整個(gè)阻尼器變成了近于剛性的連接元件，并且將管道或設(shè)備承受的沖擊荷載傳到結(jié)構(gòu)梁上去。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，阻尼器對(duì)管道沒有任何附加作用。

在低溫再熱蒸汽管道阻尼器設(shè)計(jì)時(shí)，管部采用了橫擔(dān)阻尼的形式。22號(hào)阻尼器原始設(shè)計(jì)圖見圖3，其中吊桿和橫擔(dān)的連接方式存在缺陷，現(xiàn)場(chǎng)按此阻尼器連接形式安裝，會(huì)因?yàn)檫B接在阻尼器一側(cè)的吊桿自重，安裝后阻尼器被拉至極限位置。

圖3 22號(hào)阻尼器原始設(shè)計(jì)圖

低溫再熱器蒸汽管道受熱膨脹，21號(hào)至23號(hào)阻尼器所在管道向下膨脹15 mm時(shí)，阻尼器變成了水平管道上的剛性吊架，起不到在安全閥起跳過(guò)程中保護(hù)管道的作用，還嚴(yán)重阻礙了管道正常膨脹。

低溫再熱蒸汽管道聯(lián)箱入口處受熱時(shí)隨鍋爐聯(lián)箱向下膨脹，橫擔(dān)阻尼器變成剛性吊架，作為水平管道上的分界點(diǎn)，離聯(lián)箱較遠(yuǎn)一側(cè)管道熱位移則向上，這也是14號(hào)和19號(hào)恒力吊架完全失載、吊桿彎曲的主要原因。

2.2 恒力吊架轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)嚴(yán)重銹蝕

恒力吊架12號(hào)至14號(hào)及16號(hào)至19號(hào)由于長(zhǎng)時(shí)間處于異常狀態(tài)，冷熱態(tài)位置幾乎不變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部分嚴(yán)重銹蝕，各恒力吊架實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中并沒有起到以恒定載荷吊掛管道的作用，而由于管道異常膨脹，實(shí)際功能類似剛性吊架。

3 工況模擬與校核

管道在工作狀態(tài)下承受的應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。一次應(yīng)力是指管道在內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力；二次應(yīng)力是指管道在熱脹、冷縮或其他位移受約束時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。管道在工作狀態(tài)下，一次應(yīng)力σL和二次應(yīng)力σE必須滿足以下條件[1]：

σL=pDi2/(Do2-Di2)+0.75iMA/W≤1.0[σ]t

(1)

(2)

式中：p為設(shè)計(jì)壓力， MPa；Do為外徑，mm；Di為內(nèi)徑，mm；i為應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)；MA為自重和其他持續(xù)外載作用在管子橫截面上的合成力矩，N·mm；W為管子截面抗彎矩，mm3；MC為按全補(bǔ)償值和鋼材在20 ℃時(shí)的彈性模量計(jì)算的熱脹引起的合成力矩，N·mm；f為熱脹應(yīng)力的減小系數(shù)；[σ]20和[σ]t為鋼材在常溫和設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力， MPa。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了建模計(jì)算，低溫再熱蒸汽管道Ceasar II計(jì)算模型見圖4。在計(jì)算工況中，將22號(hào)和23號(hào)阻尼器設(shè)置成帶15 mm間隙的+Z向限位。計(jì)算工況和原設(shè)計(jì)的熱位移數(shù)據(jù)對(duì)比情況見表2，原設(shè)計(jì)的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

圖4 低溫再熱蒸汽管道Ceasar II計(jì)算模型圖

吊點(diǎn)號(hào) 計(jì)算工況熱位移 原設(shè)計(jì)熱位移 XYZXYZ 118-759710-4401228-361928-6-1171362-54562-22-1311475-362073-13-1141533-50-2536-46-123161-33222-3-11417-25-4315-24-15-12118-59-67-4-57-38-13819-74-5120-71-31-12120-32-51-28-35-48-1242165-301667-14-1092253-38-2656-26-11423-58-45-14-60-33-117

從表2的數(shù)據(jù)可以看出14號(hào)和19號(hào)吊點(diǎn)的熱位移向上，與現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)檢查情況相符：實(shí)際吊架所在管道沒有向下膨脹，而是由于阻尼器剛性吊架作用，阻礙管道膨脹，此處的管道被提著向上膨脹。21號(hào)阻尼器所在管道也向上膨脹，這也是阻尼器橫擔(dān)底部脫空的原因。同樣，11號(hào)剛性吊架處管道也被提著向上膨脹，吊架完全不受力。

從表3可以看出：計(jì)算工況下低溫再熱蒸汽管道最大應(yīng)力處二次應(yīng)力處于超標(biāo)狀態(tài)，超過(guò)了規(guī)范要求的許用應(yīng)力。由于二次應(yīng)力具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。只要不反復(fù)加載就不會(huì)導(dǎo)致管道破壞，這也是二次應(yīng)力長(zhǎng)期超標(biāo)而暫未發(fā)生事故的原因。但必須對(duì)超標(biāo)部位重點(diǎn)監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的問題。

4 處理方案及結(jié)果

處理方案為：(1)重新設(shè)計(jì)管部橫擔(dān)連接形式，將阻尼器橫擔(dān)連接處由原先的螺紋吊桿連接改成支座連接，使阻尼器吊桿自重由橫擔(dān)承受。更換嚴(yán)重漏油失效的21號(hào)、22號(hào)、23號(hào)三組阻尼器，并調(diào)整阻尼器的初始位置，確保阻尼器在冷熱態(tài)均處于自由狀態(tài)。(2)重新采購(gòu)并更換編號(hào)12號(hào)至20號(hào)的9套恒力吊架。

由于管道長(zhǎng)期處于異常膨脹狀態(tài)，無(wú)法將管道完全提升至管道原始冷態(tài)位置附近。經(jīng)治理后，管道膨脹趨勢(shì)與原設(shè)計(jì)一致，阻尼器冷熱態(tài)均處于自由狀態(tài)，恒力彈簧吊架在熱態(tài)和冷態(tài)指示均在正常范圍，管道膨脹異常問題得到有效解決。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)機(jī)組低溫再熱蒸汽管道異常膨脹、阻尼器和恒力吊架嚴(yán)重失效問題進(jìn)行分析和改造后提出以下結(jié)論：

(1) 利用Ceasar Ⅱ?qū)?shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行了建模計(jì)算，得出的各吊架和阻尼器熱膨脹位移與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)所反映出的異常膨脹狀態(tài)相吻合。由于應(yīng)力校核二次應(yīng)力超標(biāo)，建議電廠對(duì)超標(biāo)處的彎頭部位進(jìn)行重點(diǎn)金屬監(jiān)督。

(2) 更換阻尼器和恒力吊架，治理后管道異常膨脹問題得以解決。

(3) 低溫再熱器聯(lián)箱入口水平管道的阻尼器宜設(shè)計(jì)成單個(gè)吊點(diǎn)的形式。阻尼器安裝完畢后，必須將阻尼器調(diào)整至自由狀態(tài)。

(4) 充分重視管道支吊架的在役檢查，尤其是管道初期受熱后的管道支吊架檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理存在的問題和隱患[2]。