某燃氣輪機電廠余熱鍋爐再熱器1出口集箱異常位移原因分析及對策研究

虞 輝，章 恂，濮鴻威

(華能南京燃機發電有限公司，南京 210046)

1 概述

某電廠1號395 MW燃氣機組，余熱鍋爐型號為Q2384【05-286(42.7)-10(0.4)·66.5(296.5)，為高中低三壓、無補燃、臥式、中間再熱、自然循環余熱鍋爐。鍋爐主要設計參數如表1所示。

表1 余熱鍋爐主要設計參數

支吊裝置是管道系統的重要組成部分，支吊裝置起到控制管道位移量和承受管道荷載的重要作用。管道系統的應力分布與其大小受支吊架安裝位置、狀態、規格類型的直接影響，其中支吊架質量的優劣、承載合理性等都影響到管道的安全運行和使用的年限。

如果管道支吊架在其設計、安裝過程中存在問題，在經過一段時間的運行之后，管線的形態、位置以及支吊架彈簧、吊桿等部件的性能均會發生一定的變化。若產生支吊架部件的破壞、過度承載、位移受限或欠載等問題，均會使管道局部區域的應力變化、對端點設備推力產生變化。這些情況將會嚴重地影響設備運行經濟性和安全性。特別是當機組容量的增大，管道的直徑、壁厚隨之增大，發生問題的可能性和嚴重性也隨之增加，對管道安裝、運行、維護、監督提出了更高的要求。

該電廠#1號燃氣輪機在2006年投產以來未對各大主要管道的支吊架受力狀況及運行情況進行系統性的檢驗、分析、調整，較多支吊架存在缺陷，尤其是再熱器1出口集箱垂直方向熱位移異常，集箱一端向下熱位移不足，另一端反向向上翹起彎曲，存在影響管道使用壽命和安全生產運行的重大隱患。根據DL/T616—2006[1]規定：主蒸汽管道、高低溫再熱蒸汽管道、高壓給水管道這些重要管道在投運30 000小時至40 000小時之后每次的大修，都應對管道的支吊架進行全面的檢驗、校核和調整，從而及時解決管道支吊架在設計、安裝和運行過程中產生的問題，及時消除因為支吊架受力不合理等原因產生的機組安全運行隱患。電廠利用大修機會對1號機組再熱器1出口集箱支吊架進行檢驗、改造、調整，從而來改善管道與支吊架的運行狀況，達到設備安全、經濟運行的目的。

2 支吊架狀態檢驗

支吊架狀態的檢查、校驗和調整主要涵蓋四個方面的內容；首先是審核查閱資料，根據設計資料，對支吊架逐一進行核對，檢查各類支吊架的型號、熱位移值的變化和工作參數等數據是否和原始設計符合；其次，檢查支吊架，查看彈簧支吊架是否存在過載或欠載的情況，恒力彈簧支吊架內部結構件有無卡死現象，記錄冷態與熱態的時候支吊架指針位置和熱位移量的變化情況，依據這些內容判斷、確認支吊架的運行狀況；再次，計算管系的應力，校核支吊架的配備對管系應力所產生的影響，從而提供給支吊架調整的理論支持；最后，全面分析設計資料和支吊架檢查檢驗、應力計算結果，提出針對性地改進方案并進行整改。檢查結果統計表見表2。

再熱器1出口集箱管道支吊架的主要問題如下：

1) 再熱器1出口集箱垂直方向熱位移異常，集箱一端向下熱位移不足，另一端反向向上翹曲。

2) 恒力支吊架的位移指示器在極限位置受阻、卡死。

3) 彈簧支吊架承載存在欠載、過載現象。

表2 再熱器1出口集箱支吊架檢查、校驗結果統計表 組

2.1 管道原始數據及設計計算復核

再熱器1出口集箱主要技術數據參數見表3。

表3 再熱器1出口集箱計算數據參數

為了校核再熱器1出口集箱的最初設計，依據這些管道的基本布置與設計參數，對管系進行了新的靜態核算，從而得出了支吊架的吊點位移、荷重分配狀態。

2.2 安裝情況復核

根據再熱器1出口集箱原始設計技術資料，對每一只支吊架的型號、冷態荷重、熱態荷重及安裝位置進行核對。最后的校核結果表明，最初施工安裝與設計相符合。

2.3 支吊架狀態檢驗

再熱器1出口集箱一共布置了5組支吊架，其中2組恒力吊架、1組彈簧吊架、2組限位支架。

檢驗結果表明：再熱器1出口集箱一共有3組支吊架存在不同程度的問題，占所有支吊架數的60%。問題如下：

1) #1單彈簧吊架過壓縮，吊架過載。

2) #3單恒力吊架，熱態時恒力吊架位移指針指示于50%的位置，冷態時恒力吊架位移指針卡死于上極限位置。吊點處管道向下熱位移明顯不足。

3) #5單恒力吊架，冷態及熱態時恒力吊架位移指針都卡死于上極限的位置，熱態時吊桿松弛，吊架失載，吊點附近的膨脹指示器顯示熱態時集箱反向向上熱位移。

3 計算與分析

3.1 管道應力驗算方法

管道的靜力計算是在確定溫度、自重等外載力作用下，分析管道的應力分布、形態變化和支撐結構的約束反力等，然后以此為基準確定整個管系的薄弱點和關鍵部位，計算并評估管系的使用安全性、可靠性。

采用CAESAR II 2011軟件對四大汽水管道及再熱器1出口集箱進行應力校核計算，該軟件符合ASME B 31.1等相關規范和標準的要求，在管道靜力計算中得到了非常廣泛應用。

為了便于分析和計算，依據力學中力的獨立性原理，將管道應力分成兩類，分別是由管道自身重量、內部壓力和其他持續外部載荷產生的軸向應力之和(此為一次應力)與由熱脹冷縮及其他位移受到約束限制而產生的熱膨脹應力范圍(此為二次應力)。

管道因為在工作、運行狀態下，由于自身重量、內部壓力和其他持續外部載荷產生的一次應力，不得超過鋼材在設計溫度下的基本許用應力。

(1)

式中:p—設計壓力，MPa；Do—管道外徑，mm；Di—管道內徑，mm；MA—自身重量和其他持續外載荷作用在管道橫截面上所合成的力矩，N·mm；W—管道截面抗彎矩，mm3；[σ]t—鋼材在設計溫度下的許用應力，MPa；i—應力增強系數；бL—由于內部壓力、自身重量和其他持續外載荷所產生的軸向應力之和，MPa。

管道由熱脹冷縮和其它位移受約束力而產生的熱應力范圍必須滿足以下計算式：

σE=iMC/W≤f[1.25 [σ]20+0.2 5[σ]t+([σ]t-σL)]

(2)

其中：[σ]20—管道鋼材在20 ℃時的許用應力，MPa；MC—按照全補償值與鋼材在20 ℃時彈性模量計算的，熱脹所引起的合成力矩范圍，N·mm；σE—熱脹應力范圍，MPa；σL—由于內部壓力、自身重量和其他持續外載荷所產生的軸向應力之和，MPa；f—應力范圍的減小系數。

預期電廠在運行年限之內，管道在全溫度周期性中的交變次數N和系數f有關。

當N≤2 500時，f=1；當N>2 500時，f=4.78N-0.2。

3.2 管系應力計算對象及計算參數

本文計算對象為再熱器1出口集箱。計算過程中對管道的冷緊力、三通以及閥門等剛性管件均作了相應處理或簡化。在管系應力的計算中，需要有以下四類的基本參數：

1) 管材性能，包括彈性模量、材料許用應力及線性膨脹系數等；

2) 運行工況，包括運行中溫度、壓力及其波動范圍值等；

3) 各種管道的幾何尺寸，彎頭、三通等管件的形狀及尺寸與類型等；

4) 管道的保溫狀況。

管道計算所需的主要計算參數列于表4，各參數為：t—計算溫度，℃；P—計算壓力，MPa；α—熱膨脹系數，10-6/℃；E20—鋼材在20℃時彈性模量，GPa；Et—鋼材在計算溫度下彈性模量，GPa；[σ]20—鋼材在20 ℃時基本許用應力，MPa；[σ]t—鋼材在計算溫度下的許用應力，MPa；R—彎管彎曲半徑，mm。

表4 管道主要管材計算參數

3.3 計算結果分析

再熱器1出口集箱應力計算時支吊架的計算編號和施工圖編號均保持一致。再熱器1出口集箱的最大應力計算結果見表5，其中同時給出了一次應力和二次應力的許用值，最大應力點的位置見圖1。

圖1 再熱器1出口集箱支吊架與管系布置圖

由表5可以知，再熱器1的出口集箱支吊架經過調整后，管系中的各支吊架均處于正常的狀態，且各次應力也均滿足了管道的安全運行要求。其中第2類管材的(Φ168.3×7.11 mm)最大一次應力最高，為許用值的47.88%(最大應力在S3點處)，第1類管材的(Φ609.6×17.48 mm)最大二次應力最高，為許用值的22.98%(最大應力在S2點處)。

由表6可知，校核計算結果表明，#1單彈簧吊架、#3單恒力吊架及#5單恒力吊架工作載荷均比原設計值小。由表7可知，支吊架在整改前，#3單恒力吊架處管道向下的熱位移量不足，#5單恒力吊架向上反向熱位移大；支吊架整改后，#3單恒力吊架及#5單恒力吊架均向下熱位移，管道熱位移狀況得到了有效改善。分析認為，導致管道熱位移異常的原因之一是原設計的支吊架載荷量過大，另一方面是恒力支吊架恒定度較大，當管道向下熱位移時，#3單恒力吊架載荷增加過多，致使#5單恒力吊架處管道反向向上翹起、彎曲。

圖2 再熱器1出口集箱應力計算校核模型圖

4 對策研究

依據支吊架的檢查、校核結果與管系的計算結果報告，整體分析和評估后提出支吊架調整、改造的方案。根據管道和支吊架所出現的問題，區分性質。依次采取下列主要的調整、改造辦法：

1) 對設計中不合理的支吊架進行重新計算以及更換處理；

2) 對承載狀態不正確(過載、欠載、失載)的彈簧和剛性吊架進行調整處理。

以上措施的實施，將使支吊架處于正常的設計工作狀態，管道應力的合理分布將確保管線的熱態、冷態荷載的分布和熱膨脹滿足設計計算的要求，最終實現管系的長期、安全、穩定的經濟運行目的。

表5 再熱器1出口集箱主要管種最大應力計算校核結果

表6 再熱器1出口集箱恒力支吊架工作載荷量對比表

表7 再熱器1出口集箱恒力支吊架整改前后的熱位移量對比表 mm

注：實際熱位移均分別從安裝于#3、#5吊架管部的膨脹指示器上讀數所得。

1號機組再熱器1出口集箱調整細節見調整方案表8。

1) 坐標系約定如下：從始建端指向擴建端方向為正方向X，從汽輪機指向鍋爐方向為正方向Z，垂直向上為正方向Y。

2) 表8中吊點參數為原設計值。

3) 支吊架狀態欄中恒力彈簧吊架的位移指針刻度位置規定為：恒力吊架彈簧由極致松弛位置到極致拉緊位置相對應的刻度為0%到100%。恒力彈簧支吊架的上極限對應彈簧極致松弛位，下極限對應彈簧極致拉緊位。

表8 再熱器1出口集箱支吊架調整方案

5 熱態復查

改造完成后機組重新啟動正常運行，對再熱器1出口集箱支吊架進行了全面熱態復查、檢驗。結果表明，經過改造以后支吊架的運行狀態得到了明顯改善，支吊架的承載均正常，管道熱位移量正常，能夠滿足機組安全、穩定運行要求，達到了項目預期目的。

6 結論

1) 支吊架在整改前，再熱器1出口集箱支吊架工作狀態異常，嚴重影響設備的長期安全、穩定運行，突出的問題是恒力吊架位移指針卡死在極限位置、彈簧支吊架過載。

2) 支吊架在整改前，再熱器1出口集箱一端向下熱位移量不足，另一端反向向上翹起彎曲；支吊架整改后，管道的垂直熱位移狀態得到了明顯的改善，能滿足管道正常運行的要求；應力校核計算結果表明，支吊架的原設計載荷偏大是再熱器1出口集箱熱位移發生異常的主要原因。