某電廠600MW超臨界機組四大管道支吊架調整改造

田成川，張　浩

（1.華電電力科學研究院東北分院，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超臨界機組四大管道支吊架調整改造

田成川1，張浩2

（1.華電電力科學研究院東北分院，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號機組四大管道支吊架的現狀及存在的問題，對四大管道系統進行了應力核算，并結合實際情況進行了應力分析。綜合分析管道支吊架存在問題的原因，提出整改方案，并進行了調整、改造工作，使管道支吊架恢復正常狀態。

管道支吊架；應力分析；材質錯用；管夾開裂；管道沉降

0　引言

某電廠6號機組為600MW超臨界機組，2011年投入運行。機組運行過程中再熱（熱段）蒸汽管道1組支吊架管部結構焊口多次開裂，經檢查該管道多組恒力支吊架連續壓死，管道不能按原設計正常位移。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的作用，對于運行溫度為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，勢必造成管道系統的二次應力急劇升高，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，特別是金屬監督工作重點的四大管道（主蒸汽、再熱蒸汽和主給水管道），更應該重視管道支吊架的檢驗和調整工作。

1　四大管道及支吊架狀態分析

通過對該廠6號機組四大管道支吊架冷態、熱態對比分析，評估了各管道支吊架宏觀狀態，再熱（熱段）蒸汽管道支吊架問題最為嚴重，爐頂水平管道多組恒力吊架壓死，管道有下沉跡象。

通過對該機組的四大管道支吊架進行冷、熱狀態宏觀檢驗，發現支吊架存在的主要問題有：恒力支吊架冷、熱狀態位置異常；支吊架承載狀況不正常，存在過載、欠載、失載現象；吊桿偏斜嚴重、彎曲變形；橫擔偏斜以及支吊架損壞失效等問題詳見表1，存在問題較嚴重的再熱（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　四大管道系統的應力分析

管道支吊架的調整和改造，必須建立在管道系統應力分析的基礎之上，盡可能使改造后的管道系統應力狀態得到優化，確保管道系統應力處于合格狀態[1]。一般情況下，一次應力超過屈服極限或持久強度，管道將發生朔性破壞[2]。管道系統二次應力過大，在應變多次重復交變的工況下，易產生疲勞破壞[3]，尤其高溫、高壓主蒸汽管道彎頭是鍋爐系統中最薄弱的環節[4]。除應力分析外，在管道設計方面，一般還要求計算管道端點對設備的推力和力矩。

2.1解決管道支吊架實際問題的計算分析方法

為解決管道支吊架的實際問題，需對管道系統進行應力分析。首先是對管道系統的應力校核，即收集、審查原始設計資料，校核原設計是否存在問題。再結合管道支吊架的實際狀態，對管道支吊架進行評估。大多數情況下四大管道系統原設計應力狀態是合格的，對于管道支吊架存在的一般性問題，可以通過逐個調整達到設計要求的工作狀態[5]。然而，影響管道支吊架的實際狀態的因素有很多，如設計、制造、安裝、調整、運行等各個環節都可能造成管道支吊架狀態異常。那么支吊架問題嚴重的管道系統的實際應力狀態，則需要利用管道支吊架的實際受力狀態進行模擬計算，對管道支吊架狀態進行評估，找到一條既經濟又能保證管道安全的解決途徑。

2.2管道系統應力校核條件

管道系統應力校核條件主要有三個方面：內壓折算應力、一次應力、二次應力。內壓折算應力校核條件：

式中σeq─內壓折算應力，MPa；

p─設計壓力，MPa；

Do─管子外徑，mm；

S─管子實測最小壁厚，mm；

Y─溫度對計算管子壁厚公式的修正系數；

η─許用應力的修正系數；

α─考慮腐蝕、磨損和機械強度的附加厚度，mm；

[σ]t─鋼材在設計溫度下的許用應力，MPa。

一次應力校核條件：

式中σL—壓力引起的軸向力之外的附加軸向外力，N；

Di─管子內徑，mm；

MA─由于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─管子截面抗彎矩，mm3；

i—應力增強系數，0.75i不得小于1。

二次應力校核條件：

式中[σ]20─鋼材在20℃時的許用應力，MPa；

MC─按全補償值和鋼材在20℃時的彈性模數計算的，熱脹引起的合成力矩，N·mm；

σE─熱脹應力范圍，MPa；

f─應力范圍的減小系數。

2.3四大管道應力校核

管道系統屬于超靜定桿件結構，計算方法基本上分為力法和位移法，現今常用的有限元應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條件列出整個管道系統的變形協調方程。研究的核心是管道的機械強度和剛度問題[7]。對于該機組四大管道我們采用的計算參數詳見表2，通過管道有限元分析軟件Auto Pipe計算結果詳見表3。

表2　管道計算的主要參數

表3　各管系的最大應力值

由以上計算結果可知，各管系的應力狀態合格，再熱（熱段）蒸汽管道最大應力與許用應力的比值達到87%，應力值偏大。其他三條管道最大一次應力、二次應力與其許用應力比值均在70%以下。原管道系統應力狀態良好，管道支吊架現存的問題與設計無關。如果各管道支吊架制造、安裝質量正常，應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輸出載荷恒定的特性，在高溫汽水管道中得到廣泛的應用。然而近幾年，在一些電廠中發現存在管道支吊架制造質量不合格現象。為解決管道支吊架的實際問題，需對原有恒力吊架性能進行測試，以了解管道支吊架的實際受力狀態。

恒力吊架性能主要有兩個指標，恒力吊架的恒定度和載荷偏差度。

式中Δ—恒定度；

WMax—整個回轉過程最大載荷值，MPa；

式中λ—載荷偏差度；

Wb—標準載荷值，MPa；

Wa—拔銷時實測載荷，MPa。試驗采用BLR-1型拉壓力傳感器以及CD1型測試儀表，對再熱（熱段）蒸汽管道抽取了14、15號恒力吊架進行了測量。測試以行程10%點（此點載荷即為拔銷載荷）為起點，以行程90%點為終點，平均分成5點進行載荷測量，詳細測量結果見表4。2組恒力吊架恒定度分別為14.9%和30.1%遠大于相關標準規定的6%，2組恒力吊架載荷偏差度分別為15.4%和53.5%遠大于標準要求的5%，由此可知該管道恒力吊架制造質量不合格。

從測量數據還可以得出，2組恒力吊架下行載荷遠大于上行載荷，14號吊架最大載荷偏差9950N，15號吊架最大載荷偏差34095N。同時，2組恒力吊架上行載荷均小于原設計載荷，15號吊架上行最小載荷較原設計小11229N，小了23.5%。說明該批恒力吊架機構摩擦阻力較大，當用于管道熱膨脹方向向上的位置時，管道支吊架的實際載荷要遠小于設計載荷，再熱（熱段）蒸汽管道13-21號恒力吊架正是此種情況。WMin—整個回轉過程最小載荷值，MPa。

表4　恒力吊架恒定度測量

4　管道支吊架調整改造

管道支吊架調整改造方案，是根據四大管道支吊架系統的應力分析結果，對比管道支吊架冷、熱狀態變化，綜合分析確定的。由于四大管道支吊架原設計應力狀態合格，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、脫空現象，管道支吊架現存的問題主要是由于支吊架安裝、和個別支吊架制造質量缺陷造成的，可以通過逐個調整使其恢復正常。再熱（熱段）蒸汽管道支吊架爐側部分存在連續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，壓死的原因為恒力吊架上行載荷遠小于設計載荷，為保障改管道的安全性，同時又考慮經濟性需對該管道支吊架進行改造。

4.1四大管道中的共性問題處理方式

對結構不合理的支吊架進行改造，使其不影響管道膨脹；對連接件失效的進行更換，使其滿足管道支吊架承載條件；對安裝錯誤的支吊架重新安裝；將漏油的阻尼器進行更換；對冷、熱態承載異常的支吊架進行調整，使其達到設計安裝載荷；對制造質量不合格的恒力吊架進行更換。對于重新選型的支吊架進行更換和安裝。對材質錯用的支吊架管部結構件以及管部焊接件進行了更換。

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，如果按原設計參數對該管道進行應力分析與實際情況相差較大。該管道14、15、19、21號恒力吊架冷、熱狀態均處于壓死狀態，那么這四組恒力吊架實際所起的作用為剛性吊架。按剛性吊架狀態對其分析，則該管道一次應力未發生變化，管道二次應力最大值在T1三通位置達到306.807MPa，是二次許用應力的1.54倍，管道應力超標，管道系統最大應力值見表5。同時，對于該管道29號彈簧支架管部焊接元件多次開裂的問題，為避開管部焊接環節，尋求其他解決辦法。即可取消29號彈簧支架，在28、29號吊架相鄰的水平管道上各增加一組吊架，避免在P91管道母材進行管部元件焊接。

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

表5　再熱（熱段）蒸汽管道的實際最大應力值

5　結語

對該機組四大管道支吊架調整改造后，各管道支吊架冷、熱態均達到正常承載狀態。造成該機組四大管道支吊架存在缺陷的主要因素有以下三個方面：

（1）產品制造質量因素：主要是恒力吊架產品制造質量較差，恒定度、載荷偏差度要求達不到標準要求；一些生產廠家沒有產品測試實驗裝置，不能完成出廠實驗。

（2）安裝因素：新建機組，管道支吊架安裝工作很多被分包，安裝單位不具備相應資質；監理單位技術力量不強，沒有相關技術人員。

（3）監督檢驗因素：本機組鍋爐廠配管部分，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，管夾及卡塊材質成分接近于200系列不銹鋼，適合于400℃以下使用。材質錯用現象在超臨界機組中多次發生，說明在管道制造監檢和安裝監檢力度不足。

四大管道支吊架作為金屬監督的一項重要內容，引起了越來越多的重視。建議對于新建機組，電力生產企業應該在設計、采購、安裝、運行各個環節加以控制。且各發電企業嚴格按照相關標準要求，對新建機組四大管道支吊架進行全面檢驗，必要時進行調整、改造。

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

[2]Charles Becht IV(著)，陳登豐，秦叔經，等譯.工藝管道ASME B31.3實用指南[M].北京：化學工業出版社，2005.51-56.

[3]唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2009.49-76.

[4]周順深.火電廠高溫部件剩余壽命評估[M].北京：中國電力出版社，2006.17-18.

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

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

[7]送岢岢.壓力管道設計及工程實例[M].北京：化學工業出版社，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，工學碩士，高級工程師，從事管道應力分析、管道支吊架檢驗調整以及特種設備檢驗工作。

2016-02-16

2016-09-07