超超臨界機組主蒸汽管道下沉原因分析及管系優化

蘇州熱工研究院有限公司 陳 騁 張鄭磊 河北蔚州能源綜合開發有限公司 耿 嚴

1 引言

支吊架是熱力管道系統中的一個重要組成部分，對熱力管道系統起著支撐管道重量、平衡介質反力、控制管道對連接設備的推力和力矩、防止管道振動和限制管道位移等作用[1]。隨著機組容量的增加，熱力管道系統也愈加復雜，對管道支吊架也提出了更高的要求[2]。蒸汽管道系統中，支吊架的運行狀態正確與否是影響管道安全的重要因素。支吊架的失效會導致管道偏離原有的設計狀態，對管道系統及相關設備造成重大安全隱患，進而影響機組的安全可靠運行[3]。

對某超超臨界機組管道支吊架進行熱態目視勘查時，發現主蒸汽管道爐右側（鍋爐3層至5層）#26、#28、#29、#30及# 31等連續5組恒力彈簧吊架的位移指針，均卡死于下極限。初步判斷，主蒸汽管道在該管段下沉現象，如圖1所示。通過開展管道支吊架詳細檢查、管道各點標高實測、支吊架運行狀態在投運前與投運三年后冷、熱態詳細對比等工作，確定主蒸汽管道爐右側管段下沉量最大為520mm。

圖1 主蒸汽管道布置

結合現場檢查、恒力彈簧吊架性能測試、管件參數測量、管系有限元分析校核計算、分析等結果，對主汽管系下沉原因進行了分析，并制定了該管段下沉的優化整改方案。整改后，通過現場冷、熱態檢驗，主蒸汽爐右側管道的膨脹情況與支吊架運行狀態良好。

2 主蒸汽管道下沉原因分析

通常，引起管道下沉的常見原因主要有以下幾個方面，設計原因、安裝原因、運行后的非正常工況原因以及產品質量原因[4]。

2.1 主汽管道應力校核計算

應力校核計算采用的有限元軟件為Caesar II[5]。經過應力校核計算，主蒸汽管道的一次應力和二次應力均在規程要求的允許范圍內，設計的各支吊架處于正常工作狀態，其一次、二次應力均能滿足管道安全運行的要求，整個管系應力合格。其中，主蒸汽管道#26、#28、#29、#30與# 31恒力彈簧吊架的校核計算結果與設計數據一致。

2.2 主汽管道與支吊架基建安裝記錄檢查

對主蒸汽管道與支吊架安裝記錄進行檢查，結果顯示支吊架的安裝形式、安裝位置、偏裝量等均滿足設計要求；管道的規格、型號、材質、表面檢查、標高偏差、水平管道彎曲度、管道坡度與立管垂直度等均滿足相關標準要求。

現場管道各點標高進行測量，除#24至#33吊架所在下沉管段外，其余管道安裝標高符合規范和標準要求（±15mm）。

2.3 投產后機組運行情況檢查

經運行人員反饋，機組投運至今，機組運行狀態良好，無大的地震發生，未發生劇烈的振動與沖擊；現場檢查未發現管道劇烈振動后留下的滑動或撞擊等痕跡，排除了管道遭受到過劇烈沖擊（汽、水沖擊）的可能。

2.4 恒力彈簧吊架載荷性能測試結果與分析

電測法的基本原理是用電阻應變片測定構件表面的線應變，再根據應變應力關系確定構件表面應力狀態的一種試驗應力分析方法。這種方法是將電阻應變片黏貼的被測構件表面，當構件變形時，電阻應變片的電阻值將發生相應的變化，然后通過電阻應變儀將此電阻變化轉換成電壓（或電流）的變化，再換算成應變值或者輸出與此應變成正比的電壓（或電流）的信號，由記錄儀進行記錄，就可得到所測定的應變或應力。

本次測試對主蒸汽管道恒力彈簧吊架載荷情況進行實時監測與記錄，組成全橋測試通，采樣頻率為10Hz，分析頻率為3.91Hz，連續采樣方式。恒力彈簧吊架載荷測試目標主要為兩個：力支吊架的荷載偏差值不大于5%；恒力彈簧吊架上下位移的整個行程范圍內的荷載離差應不大于6%。

系統主要由表面式電阻應變計、數據采集卡、動態信號采集儀與計算機軟件平臺組成，現場測試情況如圖2所示。

圖2 測試系統構成與現場測試情況

對于支吊架，考慮到圣維南原理，電阻應變計測點位置選擇在距離吊桿中部的名義應變處，并選擇全橋布置形式，提高測試精度，如圖3所示。

圖3 傳感器全橋布置方法

主蒸汽管道恒力彈簧吊架整定位置的荷載測試結果見表1。

表1 主蒸汽管道恒力彈簧吊架荷載偏差測試結果

測試結果顯示，各組恒力彈簧吊架荷載偏差度均超過5%，下沉管段的#26、#28、#29、#30、#31、#32與# 33恒力彈簧吊架的實測整定載荷比設計整定載荷小了146645N。恒力彈簧吊架的載荷不隨吊點處管道垂直位移的變化而變化，載荷基本保持恒定，對管道向下/上的冷/熱位移沒有約束作用，自限性差。在連續分布多組恒力彈簧吊架的管段，吊架的性能要求嚴格，一旦大噸位吊架或多組吊架性能無法滿足設計載荷需求，易引發管道下沉。主汽管道#26、#28、#29、#30、#31、#32與# 33恒力彈簧吊架為連續分布的恒力彈簧吊架，吊架實測整定載荷遠小于設計整定載荷。

根據管道應力校核計算、基建安裝檢查、機組運行狀況核實、管道尺寸測量與支吊架外觀檢查、吊架載荷性能測試等結果，可以得到結論該管段兩個剛性吊架之間的恒力彈簧吊架存在質量缺陷，吊架性能不滿足設計要求，導致該管段發生了不止一次的下沉。吊架的質量缺陷是造成主蒸汽管道下沉的主要原因。

3 主蒸汽管道下沉整改與管系優化

3.1 主蒸汽管道應力釋放

主蒸汽管道爐右側管道的沉降量過大，已經無法通過調整支吊架或簡單的拉升管道來解決隱患，因此需要通過對管道切割，釋放管道應力，重新調整管道坡度，并對更換的支吊架裝置進行調整，消除各個節點應力超標隱患，確保管系應力水平恢復到合理狀態

在#24吊架和#30吊架附近彎頭焊縫處分別將主汽管道切開，消除區間內管道各個節點的應力超標現象。切口A 位于#30立管恒力彈簧吊架下游的彎管與直管連接焊縫處，切口B 位于#24恒力彈簧吊架上游的彎頭與直管連接焊縫處，如圖4所示。

圖4 主汽管道切口位置

3.2 恒力吊架載荷精確調整

管道切開后，#30、#31、#32與#33恒力彈簧吊架（切管前這幾組吊架已經鎖定變為剛性吊架）所在管段的邊界條件發生了變化，附加應力得到釋放，管道應力重新分布。原設計荷載已不能作為調整標準，需要對該段管道進行有限元計算，得到切管后各個吊點的理論載荷，以此進行吊架載荷調整進一步消除管道附加應力。

利用應變電測技術的載荷測試手段，通過調節吊桿花籃螺絲的方式進行“人工加載”，調整各個吊架實測載荷結果見表2。

表2 “人工加載”實測載荷結果

3.3 調整管道坡度

對#30、#31、#32及#33吊架進行人工加載后，將切口A 上部管道切除80mm，使切口A 上下管道斷面自由對接。主蒸汽管道支吊架系統性調整后，對#26、#28與#29恒力彈簧吊架所在水平管道坡度進行測量，測量結果為15.7‰（設計坡度為15‰），#32與#33恒力彈簧吊架所在水平坡度測量結果為8.4‰（設計坡度為8‰）。

4 優化后主蒸汽管道運行狀態

機組運行后，主蒸汽爐右側管道的各組支吊架運行正常，管道膨脹合理，各個吊點的熱位移基本恢復到原設計80%。

5 結語

管道下沉會導致管道偏離設計需求，引起管系應力分布不合理，嚴重威脅機組的安全穩定運行。根據現場檢查的結果、有限元數值分析、恒力彈簧吊架性能測試結果以及對其他運行機組管道支吊架調整項目的經驗和對管系的系統分析，提出如下建議。隨著機組容量和參數的提高，更多管道設計會采用恒力彈簧吊架承受管道自重荷載，同時承擔大位移的熱膨脹，這對支吊架的質量要求越來越高。現場吊架性能測試結果不合格率很高，建議擴大測試范圍，盡快更換不合格支吊架，確保管系應力分布合理；機組正常運行期間，電廠運行人員在巡檢過程中應對管道支吊架給予足夠重視，發現問題及時匯報并采取有效措施。