大口徑高溫高壓管道下沉分析

程勇明　馬紅　王軍民　賀飛雄

(1.西安熱工研究院有限公司　西安 710054；　2.東方希望包頭稀土鋁業電廠　內蒙古包頭 014010)

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大口徑高溫高壓管道下沉分析

程勇明1馬紅1王軍民1賀飛雄2

(1.西安熱工研究院有限公司西安 710054；2.東方希望包頭稀土鋁業電廠內蒙古包頭 014010)

以某電廠的主蒸汽管道為例，對其支吊架進行冷、熱態檢驗，發現爐側連續恒力吊架冷態時指針卡死下極限位置，熱態時實際垂直熱位移值較小，與設計嚴重不符。根據現場情況和應力計算結果綜合分析，發現管道壁厚存在嚴重誤差導致管道下沉。針對以上情況，首次提出了支吊架配置改造方案需要考慮的4個方面，給解決此類問題提供幫助。

壁厚誤差管道下沉支吊架應力計算

0　引言

隨著我國新建機組的急劇增多，大口徑高溫高壓管道在運行過程中問題頻發。多家電廠因為管道狀態異常導致管道焊口泄漏，個別電廠甚至發生了管道爆破。這些事故后果嚴重，對現場工作人員的安全構成極大威脅，也造成了巨大的經濟損失。

管道支吊架包括用以承受管道荷載、限制管道位移、控制管道振動并將荷載傳遞至承載結構上的各類組件或裝置[1]。支吊架性能的好壞、承載是否合理直接影響管道的使用壽命及安全運行[2]。本文針對電廠最重要的大口徑高溫高壓管道之一的主蒸汽管道下沉現狀，分析了原因，提出了重新對支吊架進行配置的改造方案。

1　問題描述

對某電廠額定功率350 MW的亞臨界燃煤發電機組主蒸汽管道支吊架進行了冷、熱態檢驗，管道設計參數見表1，管道及支吊架布置見圖1。

表1　主蒸汽管道設計參數

圖1　主蒸汽管道及支吊架系統布置示意

檢查結果見表2。檢驗發現,爐側大面積恒力吊架狀態異常，恒力吊架由最松弛位置到最拉緊位置對應的刻度為0%到100%，下極限指彈簧機構最拉緊位置。而冷態時恒力吊架指針均卡死在下極限位置(見圖2)，熱態時恒力吊架實際熱位移均很小，與設計嚴重不符。17#單恒吊所在的直管段管道原設計坡度i=0.018，但實際冷態時測量坡度i=0.022，可見冷態時管線已明顯偏離設計冷態線，而熱態時管系又無法正常向上熱膨脹。

表2　主蒸汽管道恒力吊架狀態描述

圖2　主蒸汽管道13#恒力彈簧支吊架冷熱狀態

主蒸汽管道爐側發生了整體下沉，才導致大量支吊架狀態異常。支吊架狀態異常會改變管系受力和支吊架的承載分配，加大局部管段的變形，使得管系的局部應力增大甚至超過管材的許用應力，嚴重影響電廠的安全經濟運行[3]。

2　問題分析與改造方案

冷、熱態檢驗結果顯示，管道重量呈明顯大于支吊架實際承載能力的跡象。資料調查和現場測量顯示，管道實際壁厚明顯大于設計壁厚，主蒸汽主管實際規格為?471.44×47.42 mm，實際壁厚比原設計壁厚大14.3%，實際每米管重比原設計值大16.6%。對管道進行應力校核計算發現，在考慮實際壁厚的情況下，原有支吊架配置不能有效滿足吊點載荷要求。管道壁厚存在嚴重誤差，導致主蒸汽管道下沉，因此需要按照管道實際情況進行管系應力分析與支吊架配置計算，并據此制訂改造方案。方案的制定應該考慮以下4個方面：

(1)盡可能維持或降低管道的一次應力、二次應力、端點推力和推力矩。管道應力計算的主要工作是驗收管道的一次應力和二次應力，以及管道對設備產生的推力和力矩應在設備所能安全承受的范圍內。根據力學中力的獨立性原理，將管道應力分為兩種：由管道內壓、自重和其他持續外載產生的軸向應力之和，稱為一次應力；由熱脹、冷縮和其他位移受約束而產生的熱脹應力之和，稱為二次應力[4]。

(2)合理布置或增加剛性吊架。合適的剛性支吊架可以有效地將管系膨脹分段，控制整個管系的走向，增加管道運行的穩定性。從標高30.400 m至62.939 m立管段，原設計連續布置了4組恒力吊架，考慮改變一組為剛性吊架。

(3)減少恒力吊架的配置。恒力吊架因其自身構造和制造工藝的關系，不可避免地存在荷載離差，GB/T 17116.1規定，在恒力吊架上下位移的整個行程范圍內荷載離差不大于6%。有研究表明，對于運行時間較長或質量較差的恒力吊架，其荷載離差達15%～20%，而恒力吊架荷載離差增大會造成管系垂直向上熱位移減小，管系熱態整體發生相對向下的“下沉”現象，管系局部一次應力明顯增高[5]?？梢钥紤]將剛性吊架附近的恒力吊架更換為合適的變力彈簧吊架。

(4)盡量減少或不改變原有吊點位置。已投入運行的管道，支吊架安裝空間和生根位置所在的承載結構或輔助鋼結構均已很難改變，改變吊點位置會增加資金和時間的投入。

經過對管道支吊架配置反復嘗試和應力計算，最后在原有吊點基礎上制定了支吊架配置改造方案見圖3。利用CAESARⅡ軟件進行有限元模擬計算，改造前后主蒸汽管道最大應力計算結果見表3，端點推力見表4，端點推力矩見表5。

圖3　蒸汽管道及改造后的支吊架系統布置示意

應力類型管系狀態最大值/MPa許用應力/MPa計算值/許用值/%一次原設計37.7195.7439.39應力改造后44.6895.7446.67二次原設計82.89255.4232.45應力改造后104.42255.5340.86

由表3可知，按新的支吊架配置方案增加剛性吊架后，管系應力水平與原設計基本一致，一次應力和二次應力分布較為均勻，應力大小均在合理范圍之內。

表4　管道端點推力

表5　管道端點推力矩

由表4和表5可知，改造后的端點推力和推力矩與原設計處于同一大小水平，滿足設備接口要求。依據計算結果，得出各吊點的安裝載荷、工作載荷以及熱位移參數，對支吊架進行了相應的更換和調整。支吊架經更換及調整后，冷、熱態下各支吊架工作狀態正常，管道熱膨脹與改造后的設計值符合，表明新的支吊架配置徹底解決了原設計支吊架載荷與管道重量嚴重不符的問題。

3　結論

(1)大口徑高溫高壓管道整體下沉將導致大量支吊架狀態異常，改變管系受力和支吊架的承載分配，使得管系應力增大，嚴重影響安全運行。

(2)針對大口徑高溫高壓管道出現大面積支吊架狀態異常的情況，不能僅通過調整管道支吊架解決問題，而應該針對現場實際情況，通過校核原始設計參數和應力計算等手段確定其產生的原因。

(3)重新對支吊架設計配置進行優化改造，可以盡量在不改變原有吊點位置的情況下，維持一次應力、二次應力、端點推力和推力矩大小，通過合理地配置剛性支吊架和減少恒力吊架，確保能夠滿足機組正常、安全運行的要求。

[1]林其略，周美芳.管道支吊技術[M].上海：上?？茖W技術出版社，1994.

[2]郭宗華，安付立，陳盛廣，等.主蒸汽管道支吊架優化調整[J].工程技術，2009,32:78-80.

[3]李慶釗，馬崇，杜箏，等.管道應力分析及失效支吊架調整對策[J].華北電力技術，2008(7)：9-11.

[4]DL/T 5366—2006火力發電廠汽水管道應力計算技術規定[S].北京：中國電力出版社，2006.

[5]康豫軍，姚軍武. 恒力吊架荷載離差對管系熱位移影響的研究[J].熱力發電，2009,38(5)：72-76.

Analysis of Large Caliber High Temperature and High Pressure Pipe Subsidence

CHENG Yongming1MA Hong1WANG Junmin1HE Feixiong2

(1.Xi’anThermalPowerResearchInstituteCo.,Ltd.Xi’an710054)

Based on the analysis of main steam pipe hangers in cold and hot state，it is found that continuous constant hangers of boiler side are compressed to ultimate position in cold state. The actual vertical thermal displacement does not conform to design value in hot state. Site analysis and stress calculation show that the wall thickness deflection results in pipe subsidence. Four aspects are proposed firstly to be considered in hangers allocation and adjustment, which helps to solve similar problem.

wall thickness deflectionpipe subsidencehangersstress calculation

程勇明，男，1985年生，碩士，安徽蕪湖人，西安熱工研究院有限公司電站材料部工程師，主要從事電廠汽水管道支吊架優化調整、管道振動分析與控制、管道狀態監測等研究。

2015-08-14)