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(zé)任公司，河北 唐山063200；2.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)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(dòng)的作用，因此管道支吊架狀態(tài)的不當(dāng)改變可能會(huì)引起管道局部產(chǎn)生應(yīng)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(jī)組的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。本文根據(jù)某電廠機(jī)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(jìn)一步提高支吊架安全運(yùn)行提供參考。

1 問題簡述

技術(shù)人員在某電廠機(jī)組管道支吊架檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)再熱蒸汽管道熱段單彈簧吊架存在異常，進(jìn)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(yán)重威脅了該機(jī)組長期運(yùn)行，埋下較大的安全隱患。

2 原因分析

經(jīng)查閱原設(shè)計(jì)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(hào)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(rèn)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(dǎo)致卡塊角焊縫彎矩過大，在焊縫連接處產(chǎn)生應(yīng)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(jìn)一步驗(yàn)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(shí)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(shè)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(yīng)力集中，產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而導(dǎo)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(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 原管夾卡塊應(yīng)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(shè)計(jì)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(hào)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(shè)計(jì)1只卡塊承擔(dān)的載荷由3只卡塊來共同承擔(dān)，從而減小單只卡塊承擔(dān)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(dān)，從而減小單位長度焊縫承擔(dān)的載荷，并且減小了角焊縫處的應(yīng)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(huì)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(yīng)力集中現(xiàn)象較前夾塊降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，且應(yīng)力分布相對均勻，證明本改善處理的實(shí)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(jìn)行了分析，通過檢查設(shè)計(jì)圖紙和有限元分析，確定了該裂縫產(chǎn)生的原因主要是應(yīng)力集中，在此基礎(chǔ)上通過更換調(diào)整卡塊數(shù)量和尾椎對管夾進(jìn)行了工藝改造，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了參考。