火力發(fā)電廠變形蒸汽管道的分析調(diào)整和監(jiān)督

陳 棟

（浙江城建煤氣熱電設(shè)計(jì)院股份有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

隨著當(dāng)今社會(huì)用電需求的不斷增加，火力發(fā)電廠的運(yùn)行效果也開(kāi)始備受關(guān)注。在火電廠的具體運(yùn)行中，蒸汽管道變形和下沉是比較常見(jiàn)的問(wèn)題，如果此類問(wèn)題得不到有效處理，會(huì)對(duì)整體管道的使用壽命造成不良影響，不僅影響火電廠的發(fā)電效果，也會(huì)加大火電廠的機(jī)組運(yùn)維成本。在火電廠機(jī)組的運(yùn)維過(guò)程中，技術(shù)人員一定要做好蒸汽管道檢查，科學(xué)分析其變形，通過(guò)合理措施進(jìn)行調(diào)整，才可以有效解決蒸汽管道變形問(wèn)題，在確保機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量的同時(shí)進(jìn)一步節(jié)約運(yùn)維成本。

1 項(xiàng)目概況

以某火電廠4#汽輪發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，該機(jī)組自2002年開(kāi)始投運(yùn)，截至2021 年5 月累積運(yùn)行時(shí)間近1.4 萬(wàn)小時(shí)，機(jī)組的啟停次數(shù)是249 次。在該機(jī)組中，主蒸汽管道應(yīng)用10CrMo910 型鋼材，規(guī)格D273×28 mm，承壓9.8 MPa，新蒸汽溫度540 ℃。在該機(jī)組的運(yùn)維檢修中發(fā)現(xiàn)，部分主蒸汽管道段出現(xiàn)了顯著的變形和下沉情況，一些支吊架已經(jīng)失效，對(duì)整體管道使用壽命造成了不良影響。為實(shí)現(xiàn)蒸汽管道變形問(wèn)題的有效解決，技術(shù)人員特對(duì)其進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行管道的改造設(shè)計(jì)，合理調(diào)整變形管道。本文主要對(duì)該火電廠機(jī)組蒸汽管道變形分析、調(diào)整及其監(jiān)督結(jié)果進(jìn)行研究。

2 蒸汽管道變形原因分析

經(jīng)初步分析可知，該火電廠機(jī)組中的主蒸汽管道之所以出現(xiàn)變形問(wèn)題，主要原因是支架失效，所以在其變形原因分析中應(yīng)對(duì)支吊架失效的具體原因進(jìn)行分析。通過(guò)管道尺寸、熱位移情況、支吊架和應(yīng)力等的反復(fù)測(cè)量與計(jì)算，確定導(dǎo)致支吊架失效與管道變形的主要原因有：①管道并不具備良好的穩(wěn)定性；②管道在受熱膨脹作用下產(chǎn)生了變形；③一部分支吊架已經(jīng)失效；④爐頂位置上的吊架并不能對(duì)豎直管段起到有效的約束作用；⑤5#主機(jī)蒸汽管道對(duì)該管道產(chǎn)生了影響。

2.1 管道穩(wěn)定性不佳

通過(guò)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，在該蒸汽管道段，2 條標(biāo)高在14.5 m以上的管道部分，其主要支承方式為恒力懸吊，位移量較大；而在14.5 m 以下的管道部分，其主要的支承為彈簧吊架，在總體的29 個(gè)吊架中，只有主汽門前設(shè)置了2 個(gè)剛性吊架，其余的吊架都是恒力吊架和彈簧吊架。因?yàn)檫@兩種吊架比剛性支吊架的剛度低很多，所以在主體管道受熱變形的情況下，支吊架并不能對(duì)其起到足夠的約束作用，使得管道各個(gè)支點(diǎn)位置的位移方向失控。在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，一些支架在管道受熱變形的影響發(fā)生偏斜，這些部位的蒸汽管道也出現(xiàn)了坡度過(guò)大或斜坡現(xiàn)象[1]。

2.2 管道受熱膨脹

3#蒸汽管道具有較大的長(zhǎng)度，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其中的2 條管道總體長(zhǎng)度達(dá)到了210 m，且包含著2 個(gè)37.8 m 長(zhǎng)的豎直管段。在啟動(dòng)鍋爐時(shí)，管道將會(huì)從冷態(tài)轉(zhuǎn)變到熱態(tài)，此時(shí)的數(shù)值管道將會(huì)比原來(lái)伸長(zhǎng)275 mm。如果這些膨脹量都向下作用，便會(huì)導(dǎo)致6#和19#吊架位置的荷載顯著增加?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，在本次改造之前，當(dāng)管道處在冷態(tài)時(shí)會(huì)有個(gè)別的吊架處在脫空狀態(tài)，而在管道轉(zhuǎn)變到熱態(tài)時(shí)，這些吊架又會(huì)被全部壓牢[2]。這樣的情況也充分表明這些吊架在熱態(tài)情況下受到的荷載很大，進(jìn)而導(dǎo)致6#吊架在鍋爐運(yùn)行中斷裂。

2.3 部分支吊架失效

在現(xiàn)場(chǎng)檢查支吊架的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在變形的蒸汽管道段，部分彈簧支吊架已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象，而另一部分彈簧支吊架則會(huì)在管道處于冷態(tài)情況下脫空，并不會(huì)承擔(dān)起任何的受力荷載。因很多吊架都出現(xiàn)了傾斜現(xiàn)象，甚至有個(gè)別支吊架嚴(yán)重傾斜，其傾斜度數(shù)在9°左右。當(dāng)蒸汽管道發(fā)生了變形后，其中的應(yīng)力便會(huì)重新分配，讓部分支吊架出現(xiàn)荷載過(guò)大現(xiàn)象，進(jìn)而使其的預(yù)埋鐵出現(xiàn)強(qiáng)度不足甚至脫落損壞等問(wèn)題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)的不完全統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在該火電廠機(jī)組的主蒸汽管道中，大約有1/2 的支吊架均已失效，并對(duì)管道自重和熱膨脹所導(dǎo)致的應(yīng)力變化產(chǎn)生了直接影響，加速了部分管材的損傷，對(duì)蒸汽管道的運(yùn)行安全造成嚴(yán)重影響。

2.4 爐頂位置的吊架無(wú)法約束豎直管段

因?yàn)樵摶痣姍C(jī)組爐頂位置的吊架大多數(shù)都是恒力吊架，導(dǎo)致整體管系具有較大的位移量。具體應(yīng)用中，這些吊架將會(huì)對(duì)管系位移，尤其是豎直管段在垂直方向上的位移起不到約束作用。所以在豎直管段中的某個(gè)吊架失效后，管道荷載將會(huì)轉(zhuǎn)移到與失效吊架臨近的吊架上，嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致整體管系朝下方位移，進(jìn)而對(duì)管道運(yùn)行造成十分不良的影響[3]。

2.5 受5#機(jī)組主蒸汽管道影響

在該火電廠中，5#機(jī)組主要通過(guò)4#主蒸汽管道進(jìn)行取汽，且該機(jī)組是在既有的4#機(jī)組主蒸汽上進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中并未將5#機(jī)組中的主蒸汽管道與4#機(jī)組中的主蒸汽管道設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，也并未對(duì)其加以科學(xué)計(jì)算。這樣，5#機(jī)組中的主蒸汽管道會(huì)給4#機(jī)組中的主蒸汽管道施加一部分的壓力負(fù)荷，進(jìn)而對(duì)其變形問(wèn)題產(chǎn)生一些不良影響。

3 蒸汽管道變形對(duì)管道使用壽命的不良影響分析

通過(guò)相關(guān)研究與分析發(fā)現(xiàn)，在蒸汽管道的具體應(yīng)用中，其使用壽命的主要影響因素可按照內(nèi)因與外因來(lái)進(jìn)行劃分。其中，內(nèi)因主要指的是蒸汽管道自身及其相關(guān)部件的材料性能，例如運(yùn)行溫度和室溫條件下的力學(xué)性能、持久與蠕變強(qiáng)度、材料均勻性、組織性質(zhì)穩(wěn)定性、抗腐蝕、抗氧化等的各種性能。而在蒸汽管道的具體設(shè)計(jì)和安裝中，相關(guān)單位和技術(shù)人員通常都會(huì)對(duì)這些性能加以綜合考慮，在外部因素不對(duì)其產(chǎn)生不良影響的情況下，蒸汽管道的使用壽命通常可以達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。

外部因素主要包括蒸汽管道的運(yùn)行溫度及其所受應(yīng)力兩種，運(yùn)行溫度對(duì)蠕變速度和管道材料所具有的組織性能產(chǎn)生直接影響。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在蒸汽管道所受應(yīng)力不變的情況下，其運(yùn)行環(huán)境溫度上升10 ℃，管道的使用壽命便會(huì)減半；而如果運(yùn)行環(huán)境的溫度不變，蒸汽管道上的應(yīng)力提升10%，其使用壽命也會(huì)減半。在本次所研究的某火電廠中，其蒸汽管道運(yùn)行環(huán)境溫度已經(jīng)得到了嚴(yán)格控制，不可能出現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境溫度過(guò)高情況。但是經(jīng)過(guò)上述的實(shí)地考察與研究分析發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槭艿焦艿雷冃嗡绊?，部分蒸汽管道已?jīng)出現(xiàn)了應(yīng)力過(guò)大現(xiàn)象。如果此類問(wèn)題得不到有效解決，蒸汽管道的使用壽命勢(shì)必會(huì)受到很大程度的不良影響。

4 變形蒸汽管道調(diào)整及其運(yùn)行監(jiān)督結(jié)果分析

在通過(guò)上述分析后，該火電廠4#汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組中的蒸汽管道變形原因已經(jīng)得到了全面明確。在具體的變形蒸汽管道調(diào)整過(guò)程中，便可以此為依據(jù)，通過(guò)合理的技術(shù)措施來(lái)進(jìn)行管道與支吊架的調(diào)整，有效解決變形問(wèn)題。為確保調(diào)整后的蒸汽管道應(yīng)用效果，在本次項(xiàng)目結(jié)束并確認(rèn)合格后，特通過(guò)3 個(gè)月的運(yùn)行試驗(yàn)及其結(jié)果分析來(lái)判斷其運(yùn)行效果。

4.1 管道和支吊架調(diào)整

在本次項(xiàng)目的變形蒸汽管道調(diào)整中，技術(shù)人員將管道變形原因作為依據(jù)，重新設(shè)計(jì)了支吊架，主要的調(diào)整措施包括：①將原來(lái)的蒸汽管道走向和支吊架位置保持不變；②因原有的土建資料不足，調(diào)整中需要對(duì)各個(gè)支吊堤岸荷載加以嚴(yán)格控制，使其不超過(guò)原始設(shè)計(jì)值[4]；③對(duì)于長(zhǎng)度較大的豎直管道，應(yīng)采用剛性吊架，本次主要替換的是6#和19#支吊架，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)豎向管道位移的良好控制；④對(duì)于已經(jīng)失效的支吊架，需對(duì)其根部做好加固處理，或是重新進(jìn)行設(shè)計(jì)；⑤將每一個(gè)管段的坡度恢復(fù)到原始狀態(tài)；⑥將壓力最大的點(diǎn)調(diào)整到更加便于監(jiān)督和測(cè)量的位置，加設(shè)蠕脹測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行監(jiān)督[4]；⑦嚴(yán)格按照施工規(guī)程和相關(guān)導(dǎo)則進(jìn)行調(diào)整，確保調(diào)整效果，解決蒸汽管道變形問(wèn)題。

4.2 調(diào)整后的運(yùn)行監(jiān)督結(jié)果

在完成了該火電廠4#機(jī)組的蒸汽管道變形調(diào)整并檢查無(wú)誤后，啟動(dòng)該機(jī)組。啟動(dòng)后，技術(shù)人員對(duì)該機(jī)組中的主蒸汽管道進(jìn)行了全面運(yùn)行監(jiān)督，經(jīng)3 個(gè)月的監(jiān)督發(fā)現(xiàn)該機(jī)組的運(yùn)行完全正常。在結(jié)束了3 個(gè)月的試運(yùn)行后，技術(shù)人員再一次對(duì)該機(jī)組中的主蒸汽管道進(jìn)行了全面檢查，主蒸汽管道形狀和調(diào)整后、運(yùn)行之前的形狀完全一致，并未出現(xiàn)任何的變形或下沉現(xiàn)象；每一個(gè)支吊架的受力情況都十分良好，并未出現(xiàn)傾斜或脫空情況。由此可見(jiàn)，本次火電廠變形蒸汽管道調(diào)整十分成功，該機(jī)組主蒸汽管道變形問(wèn)題已經(jīng)得到了有效解決，既滿足了機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行需求，也保障了蒸汽管道的使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

在火電廠機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，如果蒸汽管道出現(xiàn)了變形情況，機(jī)組運(yùn)行效率將會(huì)受到很大影響，且蒸汽管道的使用壽命也會(huì)縮短。基于此，在蒸汽管道出現(xiàn)變形問(wèn)題時(shí)，技術(shù)人員一定要對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)檢查，明確變形的主要成因，并以此為依據(jù)對(duì)蒸汽管道和支吊架進(jìn)行合理調(diào)整，同時(shí)應(yīng)做好調(diào)整后的運(yùn)行監(jiān)督工作。這樣才可以讓蒸汽管道變形問(wèn)題得以有效解決，避免蒸汽管道變形問(wèn)題對(duì)火電廠運(yùn)行效果及其運(yùn)維成本的不利影響，在滿足當(dāng)今社會(huì)用電需求的同時(shí)促進(jìn)電力行業(yè)的良好發(fā)展。