王彪,唐遠(yuǎn)富,秦旭明
(湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司,湖南長(zhǎng)沙410004)
高溫再熱蒸汽管道屬于火電廠四大管道之一,其管徑及壁厚大,蒸汽運(yùn)行參數(shù)高,當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行[1]。支吊架是管道系統(tǒng)中的重要組成部分,具有安全承受管道荷載,合理約束管道位移,控制管道端口對(duì)所連接設(shè)備的推力和扭矩等功能[2]。如果支吊架設(shè)計(jì)不當(dāng),不能承受管道質(zhì)量等引起的荷載,將導(dǎo)致管道下沉,管道一次應(yīng)力增大甚至超標(biāo)。
某電廠2×330 MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組,其高溫再熱蒸汽管道設(shè)計(jì)溫度為545℃,設(shè)計(jì)壓力為4.28 MPa,材質(zhì)為A335-P22,熱位移向上,管道及支吊架布置如圖1所示。機(jī)組在冷、熱態(tài)檢查過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)高溫再熱蒸汽管道冷態(tài)時(shí)8號(hào)、9號(hào)恒力吊架指針處于下極限位置,而熱態(tài)時(shí)5—9號(hào)恒力吊架及13號(hào)恒力吊架指針位置相對(duì)于冷態(tài)基本不變。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)高溫再熱蒸汽管道有嚴(yán)重下沉現(xiàn)象,最大下沉量約400 mm。
圖1 高溫再熱蒸汽管道支吊架布置圖
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、端點(diǎn)附加位移、冷緊等位移受約束時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力[3]。
依據(jù)DL/T 5366—2014《發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》[4],基于CAEsarⅡ管道專(zhuān)用計(jì)算軟件,對(duì)高溫再熱蒸汽管道進(jìn)行應(yīng)力及支吊架選型校核計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,高溫再熱蒸汽管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力合格,但13號(hào)恒力吊架工作荷載校核值與設(shè)計(jì)值相差較大,其校核荷載為63 547 N,而設(shè)計(jì)荷載為55 216 N,設(shè)計(jì)值比校核值小約15%,其余支吊架校核結(jié)果與設(shè)計(jì)值基本一致。支吊架設(shè)計(jì)荷載偏小會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法承載管道質(zhì)量而使管道下沉。因此,13號(hào)恒力吊架選型錯(cuò)誤是導(dǎo)致管道下沉的一個(gè)原因。
在機(jī)組停機(jī)后,對(duì)不同規(guī)格的直管段和彎頭進(jìn)行壁厚測(cè)量,測(cè)量時(shí)在同一環(huán)形面分四個(gè)不同方向每隔90°測(cè)一個(gè)點(diǎn),測(cè)量后取平均值,結(jié)果見(jiàn)表1。測(cè)量結(jié)果表明,管道彎頭壁厚實(shí)際值與設(shè)計(jì)值相差很大,最大處超過(guò)設(shè)計(jì)值50.7%,直管段實(shí)際值與設(shè)計(jì)值基本一致。
表1 高溫再熱蒸汽管道壁厚測(cè)量結(jié)果
在設(shè)計(jì)壁厚和實(shí)測(cè)壁厚下分別對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力和冷位移計(jì)算,由于管道下沉情況主要在鍋爐側(cè),且冷、熱位移較大處也在鍋爐側(cè),所以取15號(hào)剛性吊架至爐頂再熱器出口為例,其結(jié)果見(jiàn)表2和表3所示。從表2可知,實(shí)測(cè)壁厚的一次應(yīng)力較設(shè)計(jì)壁厚有明顯提高,而二次應(yīng)力明顯減小,但都在合格范圍內(nèi)。從表3可知,校核冷位移基本與設(shè)計(jì)冷位移一致,而實(shí)測(cè)壁厚下冷位移較設(shè)計(jì)冷位移明顯增大,最大處超過(guò)80 mm,因而管道壁厚與設(shè)計(jì)值不一致是導(dǎo)致管道下沉的重要原因。
表2 設(shè)計(jì)壁厚及實(shí)測(cè)壁厚下一次應(yīng)力與二次應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 kPa
表3 設(shè)計(jì)壁厚及實(shí)測(cè)壁厚下冷位移計(jì)算結(jié)果mm
續(xù)表3
恒力吊架用于管道熱位移較大的位置,在管道熱脹冷縮的過(guò)程中荷載基本保持不變。NB/T 47038—2013《恒力彈簧支吊架》規(guī)定,恒力吊架的恒定度不大于6%[5],其定義如下:
該管道多組恒力吊架冷、熱態(tài)指針指示基本不變。在機(jī)組停機(jī)后,采用DH5909N動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀及KD4150S拉壓力傳感器對(duì)6號(hào)和8號(hào)恒力吊架進(jìn)行恒定度測(cè)試。其中6號(hào)恒力吊架工作荷載為64 993 N,8號(hào)恒力吊架工作荷載為61019 N,均為雙拉桿恒力吊架。將恒力吊架行程分為10等分進(jìn)行荷載測(cè)量,其荷載曲線如圖2所示,恒定度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可知,6號(hào)恒力吊架兩側(cè)恒定度分別為12.7%和11.1%,8號(hào)恒力吊架兩側(cè)恒定度分別為8.3%和 7.3%,都大于 NB/T 47038—2013《恒力彈簧支吊架》規(guī)定的6%。因此,這兩組恒力吊架性能是不合格的。
圖2 高溫再熱蒸汽管道恒定度測(cè)試曲線
表4 恒力吊架恒定度測(cè)試結(jié)果匯總
根據(jù)對(duì)該管道的冷、熱態(tài)檢查,管道計(jì)算校核、壁厚測(cè)量和恒定度測(cè)試,高溫再熱蒸汽管道異常下沉主要有如下幾個(gè)方面的原因。經(jīng)過(guò)計(jì)算校核,13號(hào)恒力吊架設(shè)計(jì)荷載偏小,導(dǎo)致該處吊架無(wú)法承受管道質(zhì)量。另一方面,管道壁厚與設(shè)計(jì)壁厚不符,特別是彎頭厚度,最大處偏厚超過(guò)50%,而管道支吊架的設(shè)計(jì)是按照設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算所得,這會(huì)導(dǎo)致支吊架的設(shè)計(jì)荷載偏小而無(wú)法承受管道應(yīng)有重量。最后,經(jīng)過(guò)恒定度測(cè)試,發(fā)現(xiàn)所抽查的恒力吊架恒定度都不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。電廠恒力吊架熱位移都為向上熱位移,從圖2的恒定度測(cè)試曲線可知,當(dāng)恒力吊架在向上位移時(shí),即放松過(guò)程中,荷載會(huì)大幅降低,對(duì)管道的提升量減小,即冷、熱態(tài)時(shí)恒力吊架指針指示基本不變,因此,管道熱態(tài)整體會(huì)發(fā)生相對(duì)向下沉降。
通過(guò)以上分析,更換了兩組恒力吊架和新增了一組恒力吊架,即對(duì)6號(hào)恒力吊架和13號(hào)恒力吊架重新選型,分別將工作荷載改為80 000 N和63 500 N,在9號(hào)和10號(hào)兩組恒力吊架之間加一組恒力吊架,工作荷載為26 200 N。在此基礎(chǔ)上,對(duì)各恒力吊架的荷載調(diào)整螺栓進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,使各支吊架受力合理,并調(diào)整法蘭螺絲,使冷態(tài)時(shí)指針指示于90%位置。按此方案實(shí)施,根據(jù)實(shí)測(cè)壁厚進(jìn)行計(jì)算,其一次應(yīng)力為32 069.2 kPa,二次應(yīng)力為121 524.6 kPa,均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。相對(duì)于未整改前,其一次應(yīng)力得到明顯減小,二次應(yīng)力基本不變。
在機(jī)組停機(jī)期間,按照DL/T 616—2006《火力發(fā)電廠汽水管道與支吊架維修調(diào)整導(dǎo)則》[6],對(duì)管道支吊架進(jìn)行了調(diào)整施工。調(diào)整后冷、熱態(tài)復(fù)檢結(jié)果表明,高溫再熱蒸汽管道支吊架承載及熱位移達(dá)到或接近設(shè)計(jì)值,管道下沉現(xiàn)象得到明顯改善,消除了機(jī)組及管道安全運(yùn)行的隱患。
本文基于高溫再熱蒸汽管道出現(xiàn)的下沉現(xiàn)象,找出了導(dǎo)致高溫再熱蒸汽管道下沉的三個(gè)主要原因,即支吊架選型荷載偏小、管道壁厚偏大及恒力吊架恒定度不符合要求。經(jīng)過(guò)綜合分析,提出了解決方案,并按方案施工后,使管道受力基本正常,下沉現(xiàn)象得到明顯改善。
在機(jī)組投運(yùn)前,應(yīng)請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人員對(duì)管道支吊架狀態(tài)進(jìn)行全面、系統(tǒng)地檢驗(yàn),并應(yīng)特別注重管道壁厚、保溫層厚度及管道附件重量的核實(shí),并進(jìn)行應(yīng)力校核。機(jī)組投運(yùn)后,管道支吊架在運(yùn)行過(guò)程中狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化,應(yīng)按照DL/T 616—2006《火力發(fā)電廠汽水管道與支吊架維修調(diào)整導(dǎo)則》的要求,加強(qiáng)對(duì)支吊架的日常監(jiān)督與維護(hù)。