某600 MW機組主蒸汽管道熱脹位移異常分析及處理

作者簡介：王恒（1980-），男，工程師。研究方向為電廠設備管理及檢修。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.034

摘? 要：針對某600 MW機組主蒸汽管道熱脹位移異常狀況，采用載荷測試的方法獲取實際吊點載荷，發現原有吊架設計載荷小于管道實際吊點力、不能夠滿足管道承載需求，導致管道向上熱膨脹位移量不足。最終本著經濟有效原則，通過更換一組恒力吊架及變更水平向限位結構型式的方法，有效解決該故障，有力保障管道的安全穩定運行，也為類故障的處理提供可供參考的經驗。

關鍵詞：主蒸汽管道；熱位移；恒力吊架；載荷測試；吊點載荷

中圖分類號：TM621.4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0148-04

Abstract： In view of the abnormal thermal expansion displacement of the main steam pipe of a 600 MW unit， the load test method is used to obtain the actual lifting point load. It is found that the original hanger design load is less than the actual lifting point force of the pipeline and can not meet the load-bearing requirements of the pipeline， resulting in insufficient upward thermal expansion displacement of the pipeline. Finally， in line with the principle of economy and effectiveness， the fault is effectively solved by replacing a group of constant force hangers and changing the horizontal limit structure type， which effectively ensures the safe and stable operation of the pipeline， and also provides reference experience for the treatment of similar faults.

Keywords： main steam pipe; thermal displacement; constant force hanger; load test; suspension point load

火電廠高溫汽水管道由于其中的汽水介質工作溫度較高，給管道系統帶來較大的熱膨脹量，管道熱膨脹位移計算是管道設計過程中的一項重要內容，對管道二次應力的大小和分布有著關鍵影響。針對在役機組，如果管道實際熱膨脹位移異常，會對管道的安全性/壽命、管道及其連接設備產生不利影響[1]，因而對于在役機組的管道膨脹檢查是電廠金屬監督之中的一項重要內容。

影響管道熱膨脹位移的因素眾多，有設計、制造等原因，文獻[2]介紹了一起因阻尼器連接方式缺陷及恒力吊架運行機構卡澀導致的管道熱膨脹位移異常案例；文獻[3]給出了某管道因吊架選型過大導致的管道熱膨脹位移受阻案例；文獻[4]對某熱段管道熱膨脹位移異常故障進行了原因分析，給出的結論是支吊架安裝型號錯誤及性能不合格；文獻[5-7]針對具體案例的詳細計算分析，認為恒力吊架載荷性能對管道熱膨脹位移有著顯著影響；文獻[8]分析了一起因管道壁厚偏差和恒力吊架恒定度不合格導致的管道熱膨脹位移異常故障；文獻[9]通過恒力吊架性能實測及仿真模擬計算，認為管道多彎多起伏布置、垂直方向剛性約束較少、連續布置恒力吊架數量較多及恒力吊架性能超標是產生管道熱膨脹位移異常的主要原因。以往眾多案例很多是從支吊架性能分析入手，本文在此對某電廠主蒸汽管道的異常熱位移狀況開展研究分析，采用了測量吊點力的方式，在消除現場安全隱患的同時也為其他類似故障的處理提供了另外一種可供借鑒的方法。

1? 現場故障介紹

某600 MW超臨界參數火電機組，采用單爐膛、 型布置、平衡通風、一次中間再熱、W火焰燃燒和變壓運行的超臨界直流爐，其主蒸汽管道由67.5 m標高的過熱器出口聯箱分2路引出，在爐前64.45 m標高處由2路合并為一路，并在汽機房10.0 m標高處分為2路引至汽輪機主汽門。該主蒸汽管道設計壓力25.4 MPa、設計溫度576.0 ℃，主管規格為ID419.1 mm×75 mm、支管規格為Φ482.6 mm×70 mm，材質均為A335P91。

自機組投產以來，通過支吊架狀態檢查顯示主蒸汽管道在標高60.4 m、67.4 m的爐前水平管段及之間的三通垂直段（管道布置如圖1所示）熱膨脹位移值遠小于設計值，通過現場檢查得到各吊點的實際豎直向熱膨脹位移見表1。

圖1? 主蒸汽管道布置示意圖（X軸為固定端指向擴建端、Y軸為汽機指向鍋爐、Z軸為豎直向上）

表1? 主蒸汽管道各吊點實際豎直向熱位移

從上述檢查結果可以發現，該管道的設計豎直向熱膨脹位移均為向上，實際熱位移普遍小于設計計算值，其中在匯聚三通附近（30號、37號吊點）的熱位移偏差最大、達到170 mm左右。管道熱位移偏差容易導致管道二次應力水平提高，偏差值過大甚至會使得二次應力水平超標[10]，不利于管道的安全穩定運行。

2? 吊點力測試

為探究管道位移異常的原因，在機組大修過程中，對主蒸汽管道編號為23—40的恒力彈簧吊架進行冷態吊點力測試。測試是采用載荷傳感器直接獲得吊架的載荷數據，測試步驟如下：①在待測吊點處垂直掛上手拉葫蘆，葫蘆下端連接載荷測試儀，載荷測試儀下方通過鋼絲繩與管夾固定；②用鎖定銷鎖定待測試的恒力吊架；③不斷拉緊手拉葫蘆，直至恒力吊架吊桿不承載，此時吊桿載荷已完全轉移到手拉葫蘆上，載荷測試儀上顯示的數據即為對應的吊點力。測試過程中應保持管道標高的不變，主要測試結果見表2。

表2? 主蒸汽管道吊點力測試結果

根據吊點力測試結果可知，實際吊點力基本均大于原始設計值，尤其28號吊架處的吊點力較設計值大57.8%，初步判斷是吊架輸出載荷不滿足吊點承載所需導致了管道向上熱膨脹不足，再加上該管段的熱位移主要是向上膨脹，而恒力吊架的載荷特性一般是上行程的輸出載荷小于下行程的輸出載荷，在上極限位是輸出載荷最小、下極限位是輸出載荷最大[11]，導致運行狀態下吊架向上的“提拉”力不足。

3? 處理措施

本著經濟有效的原則，在此增加28號吊架的工作載荷并進行現場更換，同時考慮到原有29號X向限位采用的是拉撐桿結構，對管道的豎直向熱膨脹或許有牽制作用[12]，在此同時將29號X向限位更改為球面盤結構。更改后的28號吊架功能件型號為128315（↑164）/ 121509-M56、29號限位管夾型號為XZ1A.580SS，所有更換部件的詳細型號見表3，其中29號X向限位的安裝示意如圖2所示。

4? 管道應力計算及現場實施效果

為核對上述處理方案的安全性，在此采用CAESAR II軟件對變更后的主蒸汽管道（與冷段管道和高旁管道聯合建模）進行應力仿真計算，計算模型如圖3所示。管道應力仿真計算是根據DL/T 5054—2016《火力發電廠汽水管道設計規定》、DL/T 5366—2014《發電廠汽水管道應力計算技術規程》及管道的設計參數、管系與支吊架布置狀況，利用專用計算分析軟件對管道在設計狀態下其支吊架三向熱位移、其與設備連接端點處的推力和管系最大應力值進行復核計算，校驗支吊架配置、承載及熱位移的正確性，評估管道及支吊架系統的安全運行水平。

表3? 支吊架更換部件清單

圖2? 變更后29號X向限位裝置安裝結構

管道靜力計算的任務主要就是驗算管道一次應力和二次應力，確定管道的變形、應力分布以及支撐結構的約束反力等。

第一，管道在工作狀態下，在內壓、自重和其他持續荷載產生的一次應力，不得大于材料在計算溫度下的基本許用應力

式中：？滓L為由于內壓、自重和其他持續荷載產生的軸向應力之和（單位MPa）；p為設計壓力（單位MPa）；d為管件內徑（單位mm）；D為管件外徑（單位mm）；MA為自重和其他持續荷載作用在管子橫截面上的合成力矩（單位N·mm）；W為管件截面抗彎矩（單位mm3）；i為應力增加系數；[？滓]t為材料在設計溫度下的許用應力（單位MPa）。

第二，管道由熱脹、冷縮以及其他位移受約束而產生的熱脹應力（二次應力），必須滿足以下公式

式中：？滓E為熱脹應力（單位MPa）；MC為按全補償值和材料在20 ℃時的彈性模量計算的熱脹引起的合成力矩（單位N·mm）；[？滓]20為管道材料在20 ℃時的許用應力（單位MPa）；f為應力范圍減小系數，電廠在預期運行時間內，系數f與管道全溫度周期性的交變次數N有關。

當N≤2 500時，f=1；

當N>2 500時，f=4.78N-0.2。

圖3? 主蒸汽管道、再熱蒸汽冷段管道及高壓旁路管道聯合計算模型

計算時給定23—40號的恒力彈簧吊架載荷，結算結果顯示，與原始設計相比主蒸汽管道最大一、二次應力及位置均沒有變化，一次應力最大值為42 MPa（許用應力87 MPa），位于進汽機的三通處；二次應力最大值為80.6 MPa（許用應力288 MPa），位于17號與18號吊架間的彎頭處，說明更換28號吊架后主蒸汽管道應力符合安全性要求。

同時由變更后的應力計算模型計算得到管道吊點熱位移計算結果見表4，對比原始設計的熱位移（表1），可以發現更換吊架后，管道的豎直向計算熱位移總體有所減小，但減小量不大，影響范圍主要位于匯聚三通附近，28號、30號、37號吊點處的計算熱位移減小量為6%～9%。在機組重啟滿負荷運行時，對主蒸汽管道的熱膨脹位移情況進行了詳細檢查，主要管段吊點的豎直向熱位移檢查數據（表3），可以發現經過上述處理后，該管段的實際熱位移與計算值基本相符，說明主蒸汽管道在標高60.4、67.4 m水平管段及之間的三通垂直段熱膨脹位移異常的問題基本得到了解決。

表4? 更換吊架后的計算熱位移和實際檢測熱位移

5? 結束語

針對某電廠主蒸汽管道部分管段豎直向熱膨脹位移顯著小于設計值的異常狀況，通過吊點載荷測試顯示實際吊點力基本均大于原始設計值，個別吊點偏差值達到50%以上，由于所有支吊架均是按照原始設計吊點力進行的選型安裝，這就導致實際吊架輸出載荷不滿足吊點承載所需，管道向上“提拉”力不足，造成該管道豎直向上熱膨脹位移不足。同時也說明通過測量管道吊點實際吊點力能夠為判斷管道承載是否正常提供直接數據支撐，相較于測量支吊架實際工作性能，測量吊點力操作起來相對來說更為便捷。

根據故障原因分析結果，本著經濟有效的原則，針對性地擬定了加大吊架載荷、更換限位結構型式的處理方案，并通過仿真計算手段對該方案進行了應力安全可行性分析及熱位移計算，經現場檢查發現處理后的管道實際豎直向熱位移與計算值基本相符，說明有效消除了熱脹位移異常故障，達到了處理目的，也為其他類似故障的處理提供參考經驗。

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