再熱蒸汽管道彈簧吊架異常原因分析及處理

王新穎，黃 靜

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 唐山063200；2.西安益通熱工技術服務有限責任公司，陜西 西安710032）

支吊架是電站鍋爐管系的重要組成部分，主要起承受載荷、限制位置和控制振動的作用，因此管道支吊架狀態(tài)的不當改變可能會引起管道局部產(chǎn)生應力集中，加速管道損傷，縮短管道壽命[1-3]。其中，再熱蒸汽管道作為火電廠最重要的蒸汽管道，對管道和電站機組的安全運行起到至關重要的作用。本文根據(jù)某電廠機組再熱蒸汽管道發(fā)生的支吊架管夾斷裂及焊縫開裂問題，以斷裂的卡塊管夾為研究對象，通過分析其斷裂失效的原因并建立有限元模型，對進一步提高支吊架安全運行提供參考。

1 問題簡述

技術人員在某電廠機組管道支吊架檢驗時發(fā)現(xiàn)再熱蒸汽管道熱段單彈簧吊架存在異常，進一步打開保溫層檢查發(fā)現(xiàn)該吊架管夾U形螺栓從與螺母連接處斷裂，管夾的限位卡塊與管道間焊縫開裂，如圖1所示。該卡塊與螺母斷裂問題嚴重威脅了該機組長期運行，埋下較大的安全隱患。

2 原因分析

經(jīng)查閱原設計圖可知，該單彈簧吊架布置于斜向上的管道上，工作載荷為130 kN，結(jié)構(gòu)載荷為220 kN，管夾型號為SD1-HT.1025H，U形螺栓兩端的螺紋為M56，管夾配置了兩只梯形限位卡塊（梯形卡塊下底長150 mm、高280 mm）。經(jīng)分析認為梯形限位卡塊底部長度偏小及梯形限位卡塊與管夾間間隙偏大導致卡塊角焊縫彎矩過大，在焊縫連接處產(chǎn)生應力集中是造成U形螺栓斷裂及限位卡塊開裂的主要原因。為了進一步驗證分析，利用ABAQUS有限元分析軟件，建立包括管道、管夾及卡塊有限元模型，再熱蒸汽管道材質(zhì)為A335P22，管外徑和壁厚為1 035.0 mm×60.0 mm，彈性模量206 GPa，泊松比為0.3。根據(jù)蒸汽管道、管夾，卡塊實際尺寸和位置及材料參數(shù)建立數(shù)值分析模型。管道與管夾之間通過接觸屬性設置連接，管夾所受到的工作載荷以集中力的方式施加于上部位置，檢查模型網(wǎng)格和結(jié)果收斂性，結(jié)果如圖2所示。基于檢查分析和數(shù)值模擬分析，可以看出卡塊與管道間焊縫應力集中，產(chǎn)生裂縫，進而導致螺栓斷裂。

圖1 再熱蒸汽熱段管道單彈簧吊架梯形限位卡塊與管道間焊縫開裂

為了改善結(jié)構(gòu)與處理開裂問題，本方案采取改變卡塊布置以及調(diào)整卡塊數(shù)量來減小支吊架螺栓與卡塊的應力集中現(xiàn)象。

圖2 原管夾卡塊應力集中有限元模型

3 處理工藝

根據(jù)分析結(jié)果和有限元分析，依據(jù)D-ZD2010《發(fā)電廠汽水管道支吊架設計手冊》，采用如下處理工藝：①將管夾的U形螺栓更換為U形鋼帶，U形鋼帶與螺栓間以軸承連接。管夾型號為791371020。②將管夾限位卡塊配置為3塊，其中，腰形卡塊1只，腰形卡塊兩側(cè)再配置卡塊2只。原設計1只卡塊承擔的載荷由3只卡塊來共同承擔，從而減小單只卡塊承擔的載荷。由于腰形卡塊底部總長為541 mm，與原來梯形卡塊底部總長為150 mm相比，同樣的吊頂載荷由更長的焊縫來承擔，從而減小單位長度焊縫承擔的載荷，并且減小了角焊縫處的應力。③腰形卡塊中間的凹槽長度比管夾厚度僅大1 mm，將使卡塊與管夾呈面接觸，減小管夾對限位卡塊焊縫的彎矩（目前管夾對梯形限位卡塊的力作用于頂角處，同樣的作用力會在角焊縫處產(chǎn)生更大的彎矩）。要求將原安裝的兩塊梯形卡塊去除，并在原位置安裝腰形卡塊。

建立包括管道、管夾及腰形卡塊的有限模型，結(jié)果如圖3所示，可以看到應力集中現(xiàn)象較前夾塊降低一個數(shù)量級，且應力分布相對均勻，證明本改善處理的實用性及可行性。

圖3 腰形卡塊受力有限元分析模型

4 結(jié)束語

本文對再熱蒸汽管道支吊架管夾斷裂及焊縫開裂情況進行了分析，通過檢查設計圖紙和有限元分析，確定了該裂縫產(chǎn)生的原因主要是應力集中，在此基礎上通過更換調(diào)整卡塊數(shù)量和尾椎對管夾進行了工藝改造，為機組的安全運行提供了參考。