某電廠600 MW超臨界機組四大管道支吊架調整改造

田成川，張 浩

（1.華電電力科學研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179；2.沈陽金山能源股份有限公司金山熱電分公司，遼寧 沈陽 110100）

某電廠600 MW超臨界機組四大管道支吊架調整改造

田成川1，張 浩2

（1.華電電力科學研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179；2.沈陽金山能源股份有限公司金山熱電分公司，遼寧 沈陽 110100）

闡述了某電廠6號機組四大管道支吊架的現狀及存在的問題，對四大管道系統進行了應力核算，并結合實際情況進行了應力分析。綜合分析管道支吊架存在問題的原因，提出整改方案，并進行了調整、改造工作，使管道支吊架恢復正常狀態。

管道支吊架；應力分析；材質錯用；管夾開裂；管道沉降

1 概述

某電廠6號機組為600 MW超臨界機組，2011年投入運行。機組運行過程中再熱（熱段）蒸汽管道1組支吊架管部結構焊口多次開裂，經檢查該管道多組恒力支吊架連續壓死，管道不能按原設計正常位移。對此種情況，原有恒力吊架所起到的作用等同于剛性吊架，恒力吊架的功能件不能起到相應的作用，對于運行溫度為508℃的再熱（熱段）蒸汽管道來說，豎直管道的膨脹量將全部通過彎頭的變形來吸收，勢必造成管道系統的二次應力急劇升高，縮短管道的壽命。

管道支吊架是管道的重要部件，是影響管道使用壽命的主要因素之一，特別是金屬監督工作重點關注的四大管道（主蒸汽、再熱蒸汽和主給水管道），更應該重視管道支吊架的檢驗和調整工作。

2 四大管道支吊架狀態分析

通過對該廠6號機組四大管道支吊架冷、熱態對比分析，評估了各管道支吊架宏觀狀態，再熱（熱段）蒸汽管道支吊架問題最為嚴重，爐頂水平管道多組恒力吊架壓死，管道有下沉跡象。

通過對該機組的四大管道支吊架進行冷、熱狀態宏觀檢驗，發現支吊架存在的主要問題有：恒力支吊架冷、熱狀態位置異常；支吊架承載狀況不正常，存在過載、欠載、失載現象；吊桿偏斜嚴重、彎曲變形；橫擔偏斜以及支吊架損壞失效等問題，詳見表1。

3 四大管道系統應力分析

管道支吊架的調整和改造，必須建立在管道系統應力分析的基礎上，盡可能使改造后的管道系統應力狀態得到優化，確保管道系統應力處于合格狀態［1］。一般情況下，首先分析管道系統的一次應力狀態，需要驗算內壓作用到管道上的折算應力，不得大于鋼材在運行溫度下的許用應力；還需驗算持續外載作用下產生的軸向應力之和，不得大于鋼材運行溫度下的許用應力；對于偶然載荷作用一般只考慮安全門的影響因素。一次應力超過屈服極限或持久強度，管道將發生塑性破壞［2］。然后對管道系統的二次應力進行分析，也就是管道系統熱脹應力范圍的驗算，管道系統二次應力過大，在應變多次重復交變的工況下，易產生疲勞破壞［3］，尤其高溫、高壓主蒸汽管道彎頭是鍋爐系統中最薄弱的環節［4］。除應力分析外，在管道設計方面，一般還要求計算管道端點對設備的推力和力矩。

表1 四大管道支吊架缺陷問題

3.1 解決管道支吊架實際問題的計算分析方法

為解決管道支吊架的實際問題，需對管道系統進行應力分析。首先是對管道系統的應力校核，即收集、審查原始設計資料，校核原設計是否存在問題。再結合管道支吊架的實際狀態，對管道及支吊架進行評估。大多數情況下四大管道系統原設計應力狀態是合格的，對于管道及支吊架存在的一般性問題，可以通過逐個調整達到設計要求的工作狀態［5］。但影響管道及支吊架實際狀態的因素有很多，設計、制造、安裝、調整、運行等各個環節都可能造成管道及支吊架狀態異常。支吊架問題嚴重的管道系統的實際應力狀態，則需要利用管道支吊架的實際受力狀態進行模擬計算，對管道及支吊架狀態進行評估，找到一條既經濟又能保證管道安全的解決途徑。

3.2 管道系統應力校核條件

由應力分析可知，管道系統應力校核條件主要有3個方面：內壓折算應力、一次應力、二次應力。

內壓折算應力校核條件：

式中：σeq為內壓折算應力，MPa；p為設計壓力，MPa；Do為管子外徑，mm；S為管子實測最小壁厚，mm；Y為溫度對計算管子壁厚公式的修正系數；η為許用應力的修正系數；α為考慮腐蝕、磨損和機械強度的附加厚度，mm；［σ］t為鋼材在設計溫度下的許用應力，MPa。

一次應力校核條件：

式中：σL為壓力引起的軸向力之外的附加軸向外力，MPa；Di為管子內徑，mm；MA為由于自重和其它持續外載作用在管子橫截面上的合成力矩，N·mm；W為管子截面抗彎矩，mm3；i為應力增強系數，0.75i不得小于1。

二次應力校核條件：

式中：［σ］t為鋼材在20℃時的許用應力，MPa；Mc為按全補償值和鋼材在20℃時的彈性模數計算的熱脹引起的合成力矩，N·mm；為熱脹應力范圍，MPa；f為應力范圍的減小系數。

3.3 四大管道應力校核

管道系統屬于超靜定桿件結構，計算方法基本上分為力法和位移法，現今常用的有限元應力分析法就是一種位移法［6］。將管道分成許多直單元或弧單元，利用單元與臨接單元的力的平衡條件和變形連續條件列出整個管道系統的變形協調方程。研究的核心是管道的機械強度和剛度問題［7］。對于該機組四大管道采用的計算參數見表2，通過管道有限元分析軟件Auto Pipe計算結果見表3。

表2 管道計算的主要參數

表3 各管系的最大應力值

由以上計算結果可知，各管系的應力狀態合格，再熱（熱段）蒸汽管道最大應力與許用應力的比值達到0.87，應力值偏大。其他3條管道最大一次應力、二次應力與其許用應力比值均在0.7以下。原管道系統應力狀態良好，管道支吊架現存的問題與設計無關。如果各管道支吊架制造、安裝質量正常，應能滿足承受管道載荷、控制管道位移的作用。

3.4 再熱（熱段）蒸汽管道實際狀態應力分析

由于該管道支吊架存在問題較多，如果按原設計參數對管道進行應力分析與實際情況相差較大。該管道14、15、19、21號恒力吊架冷、熱狀態均處于壓死狀態，這4組恒力吊架實際所起的作用為剛性吊架。按剛性吊架狀態對其分析，則該管道一次應力未發生變化，管道二次應力最大值在T1三通位置達到306.807 MPa，是二次許用應力的1.54倍，管道應力超標，管道系統最大應力值見表4。同時，對于該管道29號彈簧支架管部焊接元件多次開裂的問題，為避開管部焊接環節，尋求其他解決辦法。取消29號彈簧支架，在于28、29號吊架相鄰的水平管道上各增加1組吊架。

綜上所述，選擇對14、15號恒力吊架重新選型，對28號吊架上側彎頭、29號吊架下側彎頭處吊架選型設計。14號恒力吊架選型為（T2.216＋T2.216），15號恒力吊架選型為（LHC 48－160／43450S－M36）。立管上下側選型分別為（LHC 48－120／57950S－M42、T2.117）。對吊架重新選型后，管道的最大一次應力為48.6 MPa，與許用應力的比值為0.69，系統最大二次應力為170.6 MPa，與許用應力的比值為0.855（見表4），改造后管道系統應力合格，管道系統應力狀態良好。

表4 再熱（熱段）蒸汽管道的實際最大應力值

4 支吊架存在問題原因

造成四大管道支吊架缺陷的主要因素有：設計因素、產品制造質量因素、安裝因素和運行因素。

設計方面存在相似機組圖紙套用現象，設計人員過分依賴設計軟件，對現場環境不熟悉。

產品制造質量因素主要是恒力吊架產品制造質量較差，恒定度、載荷偏差度要求達不到標準要求。很多生產廠家沒有產品測試試驗裝置，不能完成出廠試驗。

安裝因素體現在新建機組管道支吊架安裝工作很多被分包，安裝單位不具備相應資質，監理單位技術力量不強，沒有相關技術人員。

運行因素為機組投入運行初期與管道相連的聯箱隨鍋爐啟停發生位移，穩定后與初始安裝位置發生變化，長期運行的機組支吊架發生老化失效。

材質錯用：本機組鍋爐廠配管部分、管夾及卡塊材料合金含量分別為Cr14、Ni6、Mn4左右，不符合任何一種高溫用不銹鋼的成分要求，經查閱資料，管夾及卡塊材料應為200系列不銹鋼，適合于400℃以下使用。此問題的發生表明在設計、安裝、監理各環節都存在問題，這種現象在超臨界機組中多次發生。

5 支吊架調整方案

根據四大管道支吊架系統的應力分析結果，對比管道支吊架冷、熱狀態變化，確定了需要調整的支吊架以及需要改造的支吊架。通過對四大管道支吊架的調整改造，使管道系統膨脹達到正常，管道支吊架承載達到正常。對結構不合理的支吊架進行改造，使其不影響管道膨脹；對連接件失效的進行更換，使其滿足管道支吊架承載條件；對安裝錯誤的支吊架重新安裝；將漏油的阻尼器進行更換；對冷、熱態承載異常的支吊架進行調整，使其達到設計安裝載荷；對制造質量不合格的恒力吊架進行更換；對于重新選型的支吊架進行更換和安裝；對材質錯用的支吊架管部結構件以及管部焊接件進行了更換。

6 結束語

四大管道支吊架作為金屬監督的一項重要內容，引起了越來越多的重視。電力生產企業應該在設計、采購、安裝、運行各個環節加以控制。對新建機組的首次大修，對運行8×104h以上機組的每次大修，都應對四大管道支吊架進行全面檢查，必要時進行調整、改造。

［1］王致祥，梁志釗，孫國模，等.管道應力分析與計算［M］.北京：水利水電出版社，1983.

［2］Charles Becht IV（著），陳登豐，秦叔經，等譯.工藝管道ASME B31.3實用指南［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［3］唐永進.壓力管道應力分析［M］.北京：中國石化出版社，2009.

［4］周順深.火電廠高溫部件剩余壽命評估［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］田成川，閔玲春，徐云啟.某電廠350 MW機組再熱（熱段）蒸汽管道下沉治理［J］.東北電力技術，2011，32（8）：30－32.

［6］田成川，徐云啟，閔玲春.某電廠冷啟動蒸汽疏水管道三通開裂問題治理［J］.東北電力技術，2011，32（12）：30－32.

［7］送岢岢.壓力管道設計及工程實例［M］.北京：化學工業出版社，2007.

Adjustment Transformation on Four Pipe Hangers of a 600 MW Supercritical Unit of Given Plant

TIAN Chengchuan1，ZHANG Hao2
（1.The Northeast Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Shenyang，Liaoning 110179，China；2.Jinshan Thermoelectric Branch of Shenyang Jinshan Energy Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110100，China）

This paper summarizes the status and problems of the NO.6 unit of given power plant.The stress calculation for the four pipe system combined with actual situation is analyzed.A proposal on comprehensive analysis of the problems of pipe hangers is given. The pipe hangers have normal conditions by adjusting and transformation.

pipe hangers；stress analysis；material misuse；crack of pipe clamps；pipe settlement

TM621

A

1004－7913（2016）10－0034－04

田成川（1983），男，工學碩士，高級工程師，主要從事管道應力分析、管道支吊架檢驗調整以及特種設備檢驗工作。

2016－07－27）