某300 MW機組主蒸汽管道二次應力超標分析與治理

萬　瑜，李　燁，鄧廣發

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

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某300 MW機組主蒸汽管道二次應力超標分析與治理

萬瑜，李燁，鄧廣發

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

摘要：火力發電站300 MW燃煤機組主蒸汽管道因水壓試驗臨時吊架未拆除，導致管道熱位移受阻，管道二次應力超過材料許用應力，具有極大的安全風險。根據相關國家標準，采用整體應力分析軟件CAESARⅡ對該管道進行了靜載荷分析，調整了管系的部分支吊裝置，管系最大二次應力下降到許用應力的53.2%，提高了管道的安全裕度。

關鍵詞：主蒸汽管道；靜載荷分析；支吊架；CAESARⅡ；二次應力

主蒸汽管道是火力發電站重要的爐外管道，用于將鍋爐燃燒生產的過熱蒸汽輸送至汽輪機發電。某火電廠4號燃煤機組裝機容量300 MW，其主蒸汽管道設計溫度546 ℃，壓力17.6 MPa，迄今已運行10 000 h。為確保管道的安全運行，對主蒸汽管道進行了應力分析和支吊架熱、冷態狀態檢查，并據此調整了部分支吊裝置，實現了管系應力的合理分配。

1　管系及支吊架檢查

對主蒸汽管道進行了支吊架熱、冷態檢驗及資料審查。該型鍋爐主蒸汽管道用于連接高過出口集箱至主汽門，管系共采用3種規格的管子，高過出口集箱至爐頂大小頭為D457×45 mm的10CrMo910管，大小頭至汽機三通為ID387×41 mm A335P91管，汽機側支管為ID273×29 mm的A335P91管。全管段共有12個彎頭和26只支吊架，其中包括恒力吊架9只、彈簧吊架10只、導向支架1只、限位支架1只、剛性吊架1只、阻尼裝置4只（如圖1所示）。

圖1　主蒸汽管系簡圖

對支吊架進行現場檢查，發現爐頂彎頭處的14、15號恒力吊架及25號阻尼器的熱位移量均遠小于標定值（見表1），24號彈簧吊架未安裝，檢查結果如表2所示。

表1　支吊架熱位移值

表2　支吊架檢查結果

2　管系應力分析

2.1應力計算理論基礎

管道應力劃分為一次應力和二次應力。

一次應力是內壓、管子自重以及其他外部載荷作用所產生的應力，用于平衡外力載荷。其特點是沒有自限性，當管子內的塑性區擴展達到極限，成為幾何可變的結構時，將產生不可限制的塑性流動，直到破壞。

二次應力是在管子熱脹冷縮、位移受約束時產生的應力，不直接與外力載荷平衡。具有自限性是二次應力的顯著特征，結構微量變形或局部屈服就能滿足變形連續要求或位移約束條件。

按照文獻［1］的要求，管子在持續載荷下的應力驗算和熱漲應力范圍應分別滿足：

式中：p為管子內壓；Do為管子外徑；Di為管子內徑；MA為持續外載作用在管道橫截面上的合成力矩；Mc為熱脹引起的合成力矩；W為管道截面抗彎矩；i為應力增加系數；［σ］20為材料在20 ℃下的許用應力；［σ］t為材料在設計溫度下的許用應力；σL為管道在工作狀態下，由持續載荷產生的軸向應力之和。

2.2應力計算

主蒸汽管系是由管道結構和支吊體系構成的一個相對獨立的空間彈性系統。系統載荷主要由支吊架承擔［ 2 ］。

根據實際采集的載荷數據，采用整體應力分析軟件CAESAR II對管道系統進行多工況計算。純熱態、冷態（EXP、SUS）2個工況的計算結果表明，管道的一次應力控制在合理水平，但二次應力超過材料許用應力（見表3）。

表3　一次和二次應力計算結果

從一次應力在整個管系的分布來看，管道最大一次應力出現在管道爐側支管與主蒸汽門的接口處，最大二次應力出現在26號支架處，達到408.33 MPa，是材料許用應力的153.25%。計算結果表明，管道一次應力處于合理水平，但二次應力嚴重超標。

2.3原因分析

二次應力是管道受約束產生的，26號豎直方向限位支架設置在距離彎頭僅1000 mm的直管段上，且在距離支架僅500 mm位置還設置有14號恒力吊架（在豎直方向上的設計熱位移達到88 mm）。從設計思路上考慮，彎頭是增大管道柔性，產生熱位移變形的部位，附近的14號恒力吊架表明該處豎直方向具有較大的熱位移，而在兩者之間設置剛性限位是極不合理的。考慮管道進行水壓試驗時的特殊情況，管內充滿密度遠大于蒸汽的液態水，按管內蒸汽介質設計的支吊架可能滿足不了水壓時的載荷要求，在彎頭等部位加裝支吊架保護管道是通常的做法。綜合上述分析結果和現場調研情況，認定26號吊架應為確保水壓安全而設計的臨時吊架。

實際狀態下，管道加裝了限制豎直方向上熱位移的26號支架，使得該處熱位移為0，因此管道在該處膨脹受阻產生了較大的二次應力，最終導致該處的應力超過材料的許用應力。

雖然二次應力具有自限性、只要不反復加載就不會造成材料的破壞［ 3 ］，但主蒸汽管道在高溫、高壓的環境下運行，在負荷波動過程中還受到交變載荷的作用，因此過高的二次應力極易造成管道的疲勞破壞，具有很高的安全風險［ 4 ］。

2.4解決方案

按照文獻［5］的要求以及管控管道系統風險的實際需要，應重新對管道進行載荷驗算，并據此通過支吊架的調整、更換實現載荷的合理分配］。

針對管道彈性體系，以原設計思路為基礎，采集實際熱、冷狀態下的支吊架載荷數據，著重考查管系的熱位移狀態。

合理的一次應力分配，表明管道支吊架的位置及載荷設計優良，無需大范圍改動支吊架載荷，但管道沒有安裝24號彈簧吊架，雖然從計算上看在沒有安裝該吊架的情況下一次應力變化不大，但考慮到缺少吊架會減小管系的剛度，而且該位置靠近主汽門，汽機的高速轉動極易在該處誘發明顯的振動響應，因此從抗振角度上講，應加裝該吊架。二次應力超標是因為在管系較大熱位移處安裝了限位支吊架，限制了管系的自由膨脹，因此應對該限位吊架進行調整，并確保一次應力不會大幅上升。基于管道支吊架實際受力、熱位移狀態及CAESARⅡ靜載荷計算的結果，擬定了施工方案，并據此拆除了26號限位支架并加裝了24號彈簧吊架。表4可見，該方案在保證了低水平一次應力的前提下，實現了管道的自由膨脹，將二次應力降低到安全范圍內。

管道改造后重新投入運行，對管系及支吊架進行復查，管系膨脹良好，支吊架狀態正常。

表4　支吊架調整前后應力結果

3　結束語

在管系較大熱位移處，為確保管系水壓安全而加裝的臨時吊架限制了管道的熱位移，是主蒸汽管道二次應力超過許用應力的根本原因。在管系柔性較大的彎頭部位或設計有較大熱位移的恒力支吊架的臨近設置限位支吊架是極不合理的，應在支吊架的檢查工作中予以重視。汽水管道二次應力超標，運用CAESARⅡ軟件進行載荷及熱位移計算，并據此調整支吊架實現載荷的合理分配和確保管道的自由膨脹，是解決問題的有效途徑。

參考文獻：

［1］ 國家發展和改革委員會. DL/T 5366—2006 火力發電廠汽水管道應力計算技術規程［S］.

［2］ 萬 瑜，鄧廣發，李 燁. 基于CAESARⅡ的主蒸汽管道應力超標分析與治理［J］. 化工機械，2015，42（5）：666-668.

［3］ 陳胤密，莊發成，關健強. 燃氣-蒸汽聯合循環機組管道應力計算的研究［J］. 電力與電工，2009，29（3）：21-24.

［4］ 鄧廣發，張超群，董 強，等. 發電廠給水管道振動的原因分析及消除［J］. 江蘇電機工程，2004，23（3）：36-37.

［5］ DL/T 616—2006 火力發電廠汽水管道與支吊架維修調整導則［S］.

萬瑜（1985），男，重慶人，工程師，從事火力發電站承壓部件的失效分析、力學分析工作；

李燁（1988），男，江蘇泰州人，助理工程師，從事火力發電站承壓部件的力學分析和仿真工作；

鄧廣發（1971），男，江蘇鹽城人，高級工程師，從事火力發電站承壓管道支吊架研究工作。

Excessive Secondary Stress Analysis and Treatment of Main Steam Pipe in a 300 MW Unit

WAN Yu， LI Ye， DENG Guangfa
（Jiangsu Frontier Electric Technology CO. Ltd.，Nanjing 211102，China）

Abstract：Due to the support-hangers for temporary pressure test was not removed， the thermal displacement of main steam pipes in 300 MW coal-fired unit was blocked， and the secondary stress of pipes exceed allowable stress of materials. According to the national standards， integrated stress analysis software of CAESARⅡwas applied to analysis the static load of pipes， then the support-hangers were redesigned appropriately. The peak secondary stress of the piping was declined to 53.2% of the allowable stress， and the safety margin of the pipe was improved.

Key words：main steam pipe； stress analysis； support-hangers； CAESARⅡ； secondary stress

中圖分類號：TK223.1+1

文獻標志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）03-0098-03

作者簡介：

收稿日期：2015 -12-14；修回日期：2016-02-26