9F燃機余熱鍋爐蒸汽管道支吊架狀態診斷及有限元分析

郭賚佳，趙明華，李 俊，谷樹超，段 鵬

(1.上海漕涇熱電有限責任公司，上海 201507； 2.上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

電廠汽水管道支吊架的作用是承受管道重力、承受偶然的沖擊載荷以及控制管道在工作狀態下的位移和振動。隨著機組運行時間的累積，管道支吊架狀態會出現變化，一旦支吊架部分或全部喪失其功能，管道承載和約束條件將發生變化，管道位移和應力分布將偏離設計狀態，管道應力峰值增高，局部可能超過管材許用應力，加快高溫管道的高應力蠕變損傷，縮短管道應有的使用壽命[1-2]。

近年來，電廠承壓管道等部件安全事故頻發，嚴重威脅人身安全及經濟指標[3-4]。再者，上海的地理環境導致其境內電廠設施極易受到臺風等惡劣天氣影響，尤其是暴露的熱力管道支吊架系統更容易受到沖擊而失效，嚴重影響熱力管道的安全性及牢固性。因此，如何降低和避免因支吊架失效導致管道安全隱患，如何建立并不斷完善一整套符合機組實際運維情況的設備管理和檢修方法，使機組始終保持最安全、最經濟、最可靠的運行狀態，從而增加管道運行的穩定性和安全性，是電廠安全生產的重要組成部分，也是電廠技術監督的重點[5]。

為此，本文以9F級熱電聯供型機組一系列熱力管道支吊架為載體，通過其熱態、冷態檢驗及調整，以求解決管道支吊架在運行過程中出現的問題，消除機組運行中存在的安全隱患。同時，基于管道在高溫狀態下的溫度與機械應力分析，通過系列模擬試驗，研究不同位置、不同節點的管道應力分布狀態，形成合理有效的管道在線檢測技術方法及評判準則，從而指導管道的日常檢修和維護工作。

表1 各管道運行參數及材料、規格

表2 各管道支吊架類型及數量

1 設備概況

本文研究對象為上海化學工業園區GE9FA燃氣-蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐范圍內高溫高壓蒸汽管道。

該余熱鍋爐型號DINO-6772，制造單位為美國德爾塔公司(DELTAK)，最大連續蒸發量362 t·h-1，過熱蒸汽壓力10.25 MPa，過熱蒸汽溫度539.5 ℃，循環方式為自然循環，給水壓力14 MPa，水處理方式RO-H-OH-H/OH。截至2020年12月底，該機組已運行約88 632折算燃燒小時，近3年機組年度運行約7 000燃燒小時，年度平均啟停次數為8次，機組平均運行負荷率為85%～90%。

本研究管道分別為高、中壓蒸汽管道，高、中壓旁路管道及高、中壓供熱管道等，各管道運行參數及材料、規格如表1所示。

2 管道支吊架匯總及軸向圖

由西北電力設計院編制的《火力發電廠汽水管道支吊架手冊》和華東電力設計院編制的《發電廠汽水管道支吊架設計手冊D-ZD2010》是國內電廠支吊架設計、安裝的重要依據，廣泛應用于各等級火電機組。

然而，由于本研究管道支吊架系統跟隨余熱鍋爐一同設計，這給日常管理和維修帶來一定不便，為實現對各類高壓蒸汽管道支吊架針對性、精細化的分類分級管理，掌握各汽水管道支吊架的功能、類型及安裝位置，首先按照相關標準[6]對各支吊架總數及類型進行了匯總，如表2所示，并繪制了各汽水管道軸向圖及支吊架安裝位置布置圖。

3 主要問題概況

對蒸汽管道支吊架進行熱態及冷態檢查，并結合管道應力計算，發現需要整改的支吊架共有17處，其中高、中壓主蒸汽管道3處，高、中壓旁路管道2處，高、中壓抽汽管道4處，供熱管道系統5處，高壓給水管道3處。發現的主要問題有：滑動支架脫空失載失效、彈簧吊架欠載或過載、恒力吊架位移上下限位卡死、吊架的吊桿彎曲失載、限位支架失效、吊架結構不合理、吊架螺絲擰緊長度不夠、鎖緊螺母未擰緊或松脫等。從檢查的結果來看，機組蒸汽管道支吊架總體運行情況比較理想，但是仍存在著不少問題，影響了支吊架的載荷分布和管系熱位移。對上述異常的支吊架在冷態進行了調整，并在熱態對其調整的合理性進行了復檢驗證，確保了管系的冷/熱荷載分布和熱膨脹滿足設計要求，達到管系長期、安全和經濟運行的目的。

4 有限元分析

基于有限元理論，利用支吊架管系應力專用分析系統CAESARⅡ以及ANSYS結構應力模擬軟件，對中高壓蒸汽管道(高壓主蒸汽管道、高壓旁路管道、高壓抽氣管道及高壓供熱管道)的一次應力、二次應力和運行應力進行計算分析。計算中忽略了主管道上的疏水、減溫水等小口徑管道對主管道的影響，閘閥、截止閥、調節閥等作為剛性管件均進行了相應處理或簡化，三通均采用焊接三通進行計算。

模擬計算結果表明：高壓蒸汽管道最大一次應力位于高壓供熱A路與B路連接的第二個三通處，應力值為58.8 MPa，在設計溫度330 ℃下標準許用一次應力為121.3 MPa，計算應力與許用應力之比為48.5%；最大二次應力位于高壓主蒸管道阻尼器處，應力值為83.7 MPa，標準許用二次應力為306.5 MPa，計算應力與許用應力之比為30.6%；運行應力較大位置主要分布在管道三通、彎頭與高壓主蒸汽部分直管段，其中最大值位于高壓主蒸管道阻尼器處，應力值為104.7 MPa。

由應力計算結果可知，高壓主蒸汽管道一次應力和二次應力均低于標準規定的材料許用應力，且有一定的安全余量，均能滿足管道正常、安全運行的要求，管系應力合格。管道的三通、彎頭與高壓主蒸汽部分直管段等應力較大部位，都應作為檢修時重點監督和檢查的部位。

5 結語

按設備分類分級管理要求，繪制了各汽水管道軸向圖，并完成了各支吊架系統的狀態診斷。經過熱態及冷態檢查，并結合管道應力計算，機組管道支吊架總體設計和安裝還是比較理想，但是仍存在著不少問題，共發現需要整改的支吊架有17處，其中高、中壓主蒸汽管道3處，高、中壓旁路管道2處，高、中壓抽汽管道4處，供熱管道系統5處，高壓給水管道3處，通過對上述問題進行調整試驗，使其達到良好的服役狀態，以保障管系處于合理的應力水平。

基于有限元理論，利用支吊架管系應力專用分析系統CAESARⅡ以及ANSYS結構應力模擬軟件，對高壓蒸汽管道機械應力進行仿真分析，計算得到了不同位置、不同節點的管道一次應力、二次應力和運行應力的分布狀態，以合理有效指導管道后期在線檢測及其安全性評價。