風險評估技術在管道支吊架檢驗與調整中的應用

馮亦武

摘? 要：文章針對常規的支吊架檢驗與調整提出了一種全新的技術方案，該技術是利用模擬分析軟件計算設計工況管道狀態參數值，結合在線狀態監測系統分析運行中的管道系統狀態采集數據，對標開展風險分析，找出危險點，有針對性的開展檢修工作。該技術解決了支吊架檢驗過程中的過量檢修、檢修不足、檢修無針對性等問題，經濟高效，且為電力行業提供了一套高溫金屬管道狀態實時監控系統，具有很強的推廣價值。

關鍵詞：管道監測;風險評估;應力檢測;支吊架檢驗

Abstract： This paper puts forward a new technical scheme for the inspection and adjustment of conventional supports and hangers， which uses the simulation analysis software to calculate the pipeline state parameters under the design conditions. Based on the on-line condition monitoring system， this paper analyzes the pipeline system state collection data in operation， carries out risk analysis to the standard， finds out dangerous points， and carries out targeted maintenance work. This technology solves the problems of excessive maintenance， insufficient maintenance and lack of pertinence in the inspection process of supports and hangers， so it is economical and efficient， and provides a set of real-time monitoring system for the state of high-temperature metal pipelines for the power industry， which has a strong value of popularization.

引言

管道支吊架是管道的承載部件，起著承擔管道及其介質重量、承受管道排汽反力、約束和限制管道不合理位移以及控制管道振動等功能，對管道的安全運行具有極其重要的作用。對于火力發電廠的高溫蒸汽管道而言，由于其工作溫度和壓力均很高，一旦發生爆漏事故，后果不堪設想，因而對其運行的安全性具有極高的要求。機組投運后，管道材料、管道附件與焊口狀態均已確定，對管道應力、壽命及運行安全性產生影響的直接因素就是支吊架的工作狀態和介質的參數。因此，電力行業標準DL 647 《電站鍋爐壓力容器檢驗規程》、DL/T438《火力發電廠金屬技術監督規程》、DL/T616《火力發電廠汽水管道支吊架調整導則》均對火力發電廠高溫蒸汽管道支吊架的檢驗與調整工作做出了具體規定，要求機組首次大修時即對管道支吊架進行檢驗與調整。

目前需定期進行管道及支吊架調整，并且管道普查、支吊架更換與調整、管道改造工作難度大，支吊架檢查調整缺少科學的評價依據，且沒有針對性。

風險評估也稱為危害評價或安全評價，是對系統存在的安全性進行定性和定量分析，依據現存的專業經驗和評價標準對危害進行分析以得出系統發生危險的可能性及其后果嚴重程度的評價，通過評價尋求最低事故率、最少的損失和最優的安全投資效益。

1 風險評估技術

風險評估是結合風險類型分析、應力分析、在線監測動態分析為一體的綜合分析技術。通過管道位移、振動、應力、載荷等參數的動態監督，判斷不同工況下數據的異常，及時進行風險的預測和警示，為電廠的高溫蒸汽管道的安全保駕護航。

1.1 風險類型分析

支吊架的故障類型有吊架損壞、吊桿脫落、恒力吊架卡死、吊桿偏斜角度超標、導向支架安裝錯誤、滑動脫空、橫擔傾斜、鎖緊螺母未鎖緊等。管道的故障類型主要有開裂、變形、泄漏、振動以及熱位移過大等。

火力發電廠管道及支吊架產生失效的原因較復雜，本質上講主要是由于應力的原因，主要包括：

（1）管道振動產生應力。

（2）溫度變化引起的交變應力。

（3）高溫高壓環境下的正應力和環向切應力。

（4）彎頭、焊口部位的應力集中。

（5）管道內外壁溫差產生的熱應力。

1.2 應力分析

風險評估技術要求根據管道及支吊架的狀態，以及系統檢測到的應力情況，評斷管道及支吊架的失效風險。

首先明確待分析的管道及支吊架范圍，進行信息收集：

（1）管道設計、制造、安裝、調試和運行信息。同時進行管道三維建模，為后續的應力分析做好準備。

（2）設備故障信息。將歷史上該管道發生的失效風險事故進行存儲，并列舉其產生原因，作為后續事故發生概率的依據。

（3）設備的維修信息。對于發生過維修、更換、熱處理等操作的部件，需要將這些信息輸入系統，并及時更新模型參數，以便計算出的應力符合實際情況。

（4）其他電廠同類管道及支吊架發生失效事故的情況，作為失效分析的參考依據。

收集信息后，建立模型，利用應力分析軟件進行關系受力、位移、振動以及載荷分析;從而核對支吊架選型及管道設計的合理性。

1.3 在線監測和動態分析

參數偏離設計值的幅度決定了風險發生的程度，因此需要建立參數實時監測裝置，實時動態跟蹤管系狀態。具體系統圖1所示。

圖中，1為蒸汽管道，2為前端蒸汽管道外壁溫度傳感器，3為前端蒸汽管道X向應變傳感器，4為前端蒸汽管道Y向應變傳感器，5為剛性吊架，6為剛性吊架應變傳感器，7為前端蒸汽壓力傳感器，8為雙拉桿恒力彈簧支吊架，9為雙拉桿恒力彈簧支吊架位移傳感器，10為后端蒸汽管道X向應變傳感器，11為后端蒸汽管道Y向應變傳感器，12為后端蒸汽管道外壁溫度傳感器，13為后端蒸汽壓力傳感器，14為彈簧支架Z向位移傳感器，15為彈簧支架位置管道X向位移傳感器，16為彈簧支架位置管道Y向位移傳感器，17為彈簧支架1，18為蒸汽管道彎頭處外壁溫度傳感器，19為蒸汽管道彎頭處X向應變傳感器，20為蒸汽管道彎頭處Y向應變傳感器，21為導向支架，22為導向支架X向位移傳感器，23為蒸汽溫度傳感器，24為滑動支架，25為滑動支架X向位移傳感器，26為滑動支架Y向位移傳感器，27為控制器及計算機系統，28為加速度傳感器。

采集數據之后，所有數據均要在計算機中進行處理，最后由系統進行風險評估，并展示在電腦界面上，方便運行人員隨時查看。系統軟件界面如圖2所示。

評估系統可以進行相關參數設置，包含各個監測值的報警限值，采集頻率和計算頻率。在首界面上顯示嚴重報警的風險點。同時可以進入專項頁面，顯示支吊架載荷、應力、位移等實時數據及趨勢曲線圖。

2 技術應用

某電廠1號鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司生產的HG1900/25.4-WM10型超臨界鍋爐，單爐膛、一次中間再熱、固態排渣、全懸吊結構∏型布置，設計燃料為無煙煤，采用雙進雙出磨煤機正壓直吹式制粉系統，在前后拱上布置直流狹縫式燃燒器，采用“W”型火焰燃燒方式。BMCR工況下，主蒸汽流量1900t/h，過熱蒸汽出口壓力25.4MPa，過熱蒸汽出口溫度576℃，再熱蒸汽出口壓力5.33MPa，再熱蒸汽出口溫度574℃，給水溫度284℃。主蒸汽管道設計材質P91。

利用風險評估技術對主蒸汽管道進行風險分析。

2.1 風險類型分析

根據現場檢查，初步判斷該廠主蒸汽管道可能發生的故障類型為，振動過大、交變應力過大、內應力及正應力過大、內外溫差過大、支吊架損壞、管道局部泄漏或滲水。對該六類故障進行編號X1、X2、X3、X4、X5、X6。這六大故障存儲在軟件系統內部，根據各相關的變量狀態，實時動態關聯，提示運行人員系統存在何種失效風險。

2.2 應力分析

（1）收集主蒸汽管道信息。主蒸汽管材為A335P91，規格分別為OD540×80、OD575.1×84、OD609.6×100、ID445×81、ID318×57，設計工作溫度為576℃，設計工作壓力為25.4MPa。

（2）根據收集到的圖紙，進行建模，考慮到沒有進行過管道本體的維修及管道更換，因此按照設計圖紙建模。主蒸汽管道三維模型圖如圖3所示。

（3）仿真計算

模型建立之后，需要賦予模型材料特性，并加上力載荷和溫度載荷;同時還需要通過資料收集確定了應力分析所需要的各種參數，確定其取值。

主蒸汽管應力分析參數取值如表1所示，材料為A335P91，設計運行溫度為576℃，設計運行壓力25.4MPa。

確定參數后，利用CAESAR II軟件分析計算，得到管道最大應力及其所在位置，便于后續應力狀態監測參考限值的確定以及應力檢測傳感器位置確立，在圖3中已標注。本次計算結果如表2所示，分別計算出一次應力和二次應力，作為不同工況時的監測比較值。

根據CAESAR II軟件分析，得到最大熱位移數值及支吊架最大載荷，分析得到四個阻尼器的受力設計值分別為168976N、173717N、176474N、166969N。

2.3 在線監測和動態分析

主蒸汽管道熱態位移較大的5個位置設計值與實測值比較。（表3）

實測四個阻尼器受理結果分別為221064N、221068N、206186N、216519N。（表4）

從以上分析和實測數據，可以得知，在管系中各支吊架處于正常狀態下，其一、二次應力均能滿足管道安全運行要求，管道應力合格。但實際上管道的阻尼器受力及管道關健節點熱態位移均偏離設計值。

根據運行監測信號，系統自動計算得出故障類型X1、X2、X3、X4、X5、X6風險等級（按照高中低三個超限預警值計算而來）。

2.4 支吊架檢驗與調整

根據風險提示，開展針對性的支吊架檢查。檢查結果如表5所示。

針對故障情況，開展調整工作。調整項如表6所示。

3 結束語

風險評估技術是針對高溫蒸汽管道進行潛在故障類型進行分類，收集資料建立模型開展正常工作工況下應力、振動及熱位移分析，再結合在線狀態監測系統分析運行中的管道系統狀態的風險預警點，然后開展有針對性的支吊架檢驗與調整工作。這一技術解決了支吊架檢驗過程中的過量檢修、檢修不足、檢修無針對性等問題，經濟高效，且為電力行業提供了一套高溫金屬管道狀態實時監控系統，具有很強的推廣價值。

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