火電機組吹管臨時管道的設計與施工

陳志華

(河北省電力建設第一工程公司，石家莊 050051)

1 概述

根據火電機組的啟動要求，新建機組的過熱器系統、再熱器系統、主蒸汽系統、再熱蒸汽系統、高低壓旁路系統等均應進行蒸汽吹掃，其目的在于清除在制造、運輸、保管、安裝過程中留在過熱器或再熱器內部的各種雜物(如沙粒、石塊鐵屑、氧化皮等)，同時提高機組安全性和經濟性，并改善運行期間汽水品質。

火電機組的吹管方式分穩壓吹管和降壓吹管2種。穩壓吹管：吹掃時鍋爐升至吹洗壓力，逐漸開啟吹管控制門，在開啟控制門期間，盡可能控制燃料量與蒸汽量保持平衡，控制門全開后保持吹管壓力，吹掃一段時間后，逐漸減少燃料量，關小控制門，直至全關，一次吹管結束。控制門全開持續時間主要取決于補充水量，一般為15～30 min。一次吹管結束后，需要降壓冷卻，相鄰兩次吹掃需要間隔12 h。降壓吹管：用點火燃料量升到吹洗壓力，保持燃料量，并迅速開啟控制門，利用壓力下降產生的附加蒸汽吹管，降壓吹管每小時不得超過4次，降壓吹掃因壓力、溫度變化較大，吹掃效果較好，考慮主蒸汽管道壽命，吹掃時汽包壓力下降值應當控制在相應飽和溫度下降大于42 ℃。對直流鍋爐而言，一般采用穩壓吹管方式，設計有汽包的鍋爐一般采用降壓吹管方式。無論是穩壓吹管還是降壓吹管，火力機組現場臨時管道布置通常分為一階段吹管和二階段吹管。一階段吹管：機組全系統吹掃一次完成，采用一階段蒸汽吹管需要在再熱器入口加裝集粒器。二階段吹管：第一步吹掃過熱器、主蒸汽管道、再熱冷段管道，由鍋爐再熱器入口處排出；第二步吹掃過熱器、主蒸汽管道、再熱冷段管道、再熱器系統、再熱熱段管道，自中壓主蒸汽門伺服機構接臨時管道排出。

2 吹管臨時管道的設計與布置原則

2.1 吹管臨時管道的設計

2.1.1 臨時管道應力計算

吹管臨時應力計算分2步：一次應力計算和二次應力計算。

一次應力是由于外力載荷而使管道產生的應力和剪應力，其計算結果必須滿足外部和內部力或力矩的平衡法則，一次應力的特點是沒有自限性的，始終隨著外力載荷的增加而增大，不會隨著時間的延長而有所降低，當它超過某一限度時，將使管道直接破壞，因此要嚴格控制一次應力的數值，使其控制在相應的許用應力范圍內，管道在工作狀態下由內壓自重和持續外載產生的一次應力不得大于鋼材在計算溫度下的基本許用應力，計算公式為：

бL=PDn/(Dw2-Dn2)+0.75iMA/W ≤[б]t

(1)

式中：P為設計壓力，MPa；Dw為管道外徑，mm；Dn為管道內徑，mm；i為應力增強系數；MA為自重和其它持續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，N·mm；[б]t為鋼材在設計溫度下的許用應力，MPa。

二次應力是管道的熱膨脹應力。由于臨時管道溫度升高，管道的膨脹變形受到約束產生的正應力和剪應力不能與外力相平衡而產生的附加力，二次應力具有自限性特點。當管道局部屈服和產生小量塑性變形時就能使工作狀態下的二次應力減小，對于二次應力的限定，并不是一個時間的應力水平，而是取決于交變應力的范圍和交變的循環次數，因此多次重復使用的吹管臨時管道在這方面應引起注意。二次應力一般不會直接導致臨時管道破壞，只有在應力多次重復交變的情況下才能導致它的破壞，計算公式為：

бE=iMC/W≤f{[б]20+0.2[б]t1}

(2)

式中:i為應力增強系數；MC為按全部長值和鋼材在20 ℃時的彈性模量計算的熱膨脹引起的合成力矩，N·mm；W為管子截面抗彎矩，N·mm；f為應力范圍減小系數,在設計壽命內與管道的溫度周期性交變次數N有關,當N≤2 500時，f=1,當N>2 500時，f=4.7N-0.2；[б]20為鋼材在20 ℃時的許用應力，MPa；[б]t1為鋼材在設計溫度下的熱膨脹應力，MPa。

2.1.2 臨時管道壁厚計算

吹管臨時管道壁厚選用原則：位于吹管門前時，其計算壓力Pjs≥9.8 MPa，計算溫度tjs≥450 ℃；吹管門后可采用其計算壓力Pjs≥4 MPa，計算溫度tjs≥450 ℃；中壓門后可采用其計算壓力Pjs≥1.6 MPa，計算溫度tjs≥450 ℃。

臨時吹管門前管道直徑與主蒸汽管道相同，熱段管道排氣管道可選用截面積大于2/3熱段管。管道壁厚可以根據管道內徑或外徑進行計算。按內徑計算時，計算公式為：

Sjs=PDw/(2[б]t2η+2YP)+α

(3)

按外徑計算時，計算公式為：

Sjs=PDn/[2[б]t2-2P(1-Y)]+α

(4)

式中：P為設計壓力，MPa；Dw為管道外徑，mm；Dn為管道內徑，mm；[б]t2為管道在設計溫度下的許用應力，MPa；η為許用應力修正系數，無縫鋼管取1，縱縫焊接鋼管取決于焊接形勢和探傷檢驗方式，螺旋電焊鋼管按照SY/T 5037-2000《低壓流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》[1]生產和無損探傷檢驗合格者取0.9；Y為溫度對管子的修正系數，對于碳鋼、低合金鋼和高鉻鋼480 ℃以下時Y取0.4，510 ℃時Y取0.5，538 ℃以上時Y取0.7，480～510 ℃和510～538 ℃時的Y值采用內插法計算；α為考慮腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度，可以不考慮。

2.1.3 臨時管道支吊架設計

臨時管道支吊架在設計選用過程中多數選用“門”形架，其管道支架間距計算公式為：

L=0.2118·(E·I/q)1/4

(5)

式中：E為彈性系數，kN/mm2；I為管道截面慣性矩，cm4；q為管道單位長度重量，kN/m。

2.1.4 消音器的選擇

消音器的選用取決于吹管時蒸汽的參數(排汽溫度、排汽壓力和蒸汽流量)，600 MW機組消音器排放量選在800 t/h左右，如果消音器選擇太小，阻礙蒸汽排放，降低吹管系數，達不到吹管效果，如果消音器選擇太大，起不到消音效果。消音器的設計與制作應遵循中壓主蒸汽門后的參數。

2.1.5 堵板的加固

管道系統吹掃中常用的堵板主要有橢球形堵板、球形堵板、回轉堵板和平堵板4種類型。對于標準堵板可依據參考文獻[2]選取；但對于非標準堵板或者是現場制作內置堵板焊接時可采取角板加固方式，加固時應重點焊接角板與管道內壁連接部位。

2.1.6 三通的加固

吹管臨時管道的三通一般在現場直接制作，由于母管和支管得壁厚計算均為管道壁厚計算，如果制作三通后，三通接口處應力較大，很容易出現裂口，因此需要將三通焊口位置進行加固。加固的類型分為披肩加固和鋼筋補強加固，必要時可以采取三通母管整圈加固。

2.2 吹管臨時管道的布置原則

國內某進口燃煤660 MW發電機組，1號機組于2000年3月進行蒸汽吹掃時，臨時管道吹管時發生劇烈振動，導致每吹掃完成一次需要對振動較大部位的臨時管道焊口進行檢查和補焊。母管布置在16.7 m，支管最高點布置在18.5 m，標高差約2 m，另外自高壓主蒸汽門出口管道設計2個直插三通，系統設計彎頭和堵板等管件較多，對介質流動擾動較大。臨時管道現場設計和布置沒有固定的走向，為避免臨時管道系統吹掃時再次發生劇烈振動，遵照以下原則，重新對管道進行布置后，振動現象消除，吹管工作正常進行。

2.2.1 對稱布置

高壓主蒸汽門后、中壓主蒸汽門后管道布置時盡量采用對稱布置，這樣可以使得介質在管道內流動時的流動狀態盡可能的接近，即便是匯流到母管時，來自不同支管的介質之間相互沖擊不是很大，減少管道沖擊。

2.2.2 低標高布置

結合目前單機機組容量較大，相應吹管臨時管道直徑和壁厚較大，因此臨時管道布置時，應盡可能降低相對標高。如管道布置在汽機房運轉層，吹管臨時管道底部距運轉層不要超過1 000 mm，只要能夠保證焊接質量和正常引出臨時管道即可。

2.2.3 留邊靠柱布置

管道留邊靠柱布置的目的是在滿足管道應力布置的前提下，便于支吊架安裝，因為靠近廠房柱邊區域埋件較多，容易固定支吊架，尤其是載荷較大的支撐點顯得尤為重要。

2.2.4 斜插

管道布置時不能使介質的主流方向在三通內改變，也就是說吹掃臨時管道的三通設計安裝應選用斜插三通，避免使用直插90°三通。這樣可以避免蒸汽在管道內改變流動方向。同時避免由于介質在管道內部流動時產生沖擊，減緩管道振動。

2.2.5 就地取孔

不論哪種吹掃方式，均需要從汽輪機房運轉層引到汽輪機房0米層，通常所穿平臺位置一般選在高壓旁路門檢修孔、上下樓梯或B列柱，這樣可以實現就地穿孔，減少額外工作量。

2.2.6 成品保護

臨時管道布置不論在汽輪機房，還是排汽口，必須考慮保護已完成的工程。如廠房內臨時管道布置時要考慮管道熱膨脹時是否傷及其它設備和管道(臨時管道布置前充分考慮管道的膨脹方向和膨脹值，遠離設備)。排汽口處的蒸汽是否會污染廠房外邊的封閉墻板或其它管道等。

3 吹管臨時管道安裝注意事項

3.1 管道應力不平衡

造成管道不平衡現象的原因主要表現在以下三方面：小管與大管或剛性較大的管子串聯在一起時，小管道會產生過高的應力；局部縮小的管道斷面尺寸或局部采用強度較差的材質時，將產生應力不平衡現象；管道系統布置不合理，管道系統中的小部分遠離推力線時，小部分管道將吸收大部分熱脹應力而出現不平衡現象。針對以上3種情況，管道安裝時要采取合理的限位裝置或冷緊措施，以緩和彈性轉移，防止局部區域應力集中。

3.2 主蒸汽門內置臨時堵板螺絲孔泄漏

一般機組吹管一次蒸汽和二次蒸汽聯絡是通過主蒸汽閥門伺服機構處聯通，采用堵板封閉主蒸汽門通向汽輪機方向，堵板均采用螺栓連接，但是蒸汽往往會通過固定堵板的螺栓縫隙向汽輪機內泄漏，一般處理方法是在螺栓孔處焊接罩帽，罩帽選用厚壁管道，如過熱器減溫水安裝用的厚壁管道。

3.3 靶板反復吹飛

高溫高壓蒸汽在管道中流動，由于蒸汽的流速變化較大，而且受到管道走向和通流面積的影響，因此管道內部蒸汽流動過程中造成管道振動非常大，尤其在管系中的彎頭、三通和閥門處，蒸汽擾動大，這樣管道內部的僅僅靠2～3個螺栓固定的鋁制靶板或銅制靶板很容易被吹飛。因此吹管臨時管道靶板位置的一般安裝在臨時管系管件后4～6 m處。

3.4 吹管門卡澀

電廠在吹管過程中吹管門卡澀是比較常見的，卡澀的原因主要是閥門在高溫高壓狀態下使用時，受熱膨脹，相對動靜間隙變小，使得閥門開啟力矩大于閥門驅動電動機力矩。因此吹管門在安裝前必須解體檢查，主要檢查閥座與閥芯之間的配合間隙，同時檢查軸承、驅動裝置、盤根、墊片等。軸承部位確保潤滑良好。檢修完畢后的閥門必須在空負荷下進行試運轉，檢查是否有異常響聲，轉動是否靈活，開啟時間是否在60 s以內。

3.5 吹管靶板設計

要使靶板軸的設計達到足夠的強度，其密封性、操作性、換取靶板時的安全性尤為重要。常用的靶板器結構有法蘭式、直軸式、串軸式和框架式4種。前3種形式屬于內置式靶板，框架式靶板屬于外置式靶板。進入二階段吹管時，盡量將第一階段吹管結束后的靶板拆除，不要在第一階段處安裝靶板，吹管加工的靶板要拋光，肉眼檢查不得發現瘢痕。采用直軸式靶板和法蘭式靶板方式時，臨時管道內必要焊接短的套管，主要用于限制靶板軸非法蘭端，臨時管道外壁所引短管要進行加固，防止由于靶板在吹掃過程中長時間晃動而發生斷裂。

3.6 再熱系統超溫控制

合理布置再熱蒸汽系統的臨時管道也是控制再熱器超溫的有效途徑。二次蒸汽中壓主蒸汽門后吹管臨時管道采用的口徑同再熱蒸汽進口管道口徑，這樣可有效減小介質在臨時管道內的阻力，使蒸汽迅速排出，對再熱器超溫具有一定的

抑制作用。

4 結束語

十多年來，多臺機組吹管臨時管道布置和安裝經驗證明，無論是無再熱系統的小容量生物質發電機組，還是超超臨界機組，合理布置吹管臨時管道，不僅能夠縮短機組施工工期，提高機組安裝質量，而且給安裝和運行人員提供了安全保障。

[1] SY/T 5037-2000,低壓流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管[S].

[2] 郭曉克,黎明紅,黃 濤.火力發電廠汽水管道零件及部件典型設計[M].長春：東北電力設計院，2006.

本文責任編輯：楊秀敏