田成川，胡 冰

(1.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006;2.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 概述

某電廠3號機組為200 MW亞臨界燃煤發(fā)電機組，2003年投入運行。因電廠需要，于2005年設(shè)計增加了冷啟動蒸汽管道，該管道與主蒸汽管道相連，后期又增加了冷啟動蒸汽疏水管道。該機組冷啟動蒸汽疏水管道與冷啟動蒸汽管道連接處三通焊口運行過程中，短時間多次開裂，經(jīng)過多次補焊處理，效果很不理想。相關(guān)管道的規(guī)格參數(shù)如下:

主蒸汽管道:管道主管規(guī)格Φ377×28 mm、支管規(guī)格Φ325×25 mm、材質(zhì)12Cr1MoV。

冷啟動蒸汽管道:規(guī)格 Φ273×8 mm、材質(zhì)12Cr1MoV。

冷啟動蒸汽疏水管道:規(guī)格Φ32×3.5 mm、材質(zhì)12Cr1MoV。

2 管線的實際狀況

發(fā)電廠汽水管道的應(yīng)力狀況是影響管道安全性的最重要因素，焊口發(fā)生開裂的根本原因就是焊口處的應(yīng)力超過需用應(yīng)力。對于在役管道，支吊架既是影響管系應(yīng)力的主要因素，又是改善應(yīng)力的主要手段。管道支吊架起到承受管道載荷、限制管道位移、控制管道振動的作用。因此，首先需對管道及支吊架的布置和狀態(tài)進行檢查。主蒸汽管道及支吊架布置以及與冷啟動蒸汽管道、冷啟動蒸汽疏水管道的連接關(guān)系如圖1所示。

經(jīng)過對主蒸汽管道及冷啟動蒸汽管道、冷啟動蒸汽疏水管道的檢查發(fā)現(xiàn)問題如下:主蒸汽管道14號支吊架為固定支架，南向直管段非常長;主蒸汽管道S6、S7號吊架吊桿偏斜嚴(yán)重;冷啟動蒸汽疏水管道的管徑遠遠小于冷啟動蒸汽管道以及主蒸汽管道;冷啟動蒸汽疏水三通開裂，三通距離主蒸汽管道很近;冷啟動蒸汽疏水管道管線較短。

圖1 主蒸汽管道與冷啟動蒸汽管道、冷啟動蒸汽疏水管道連接圖

3 應(yīng)力分析

管道的應(yīng)力通常由管道自重、內(nèi)壓、熱膨脹等產(chǎn)生，其中自重及熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力主要取決于管道及支吊架的布置［1］。對于在役管道的應(yīng)力分析與校核，主要是核算管道系統(tǒng)的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力是否在允許范圍之內(nèi)。一次應(yīng)力是由內(nèi)壓和所加外載產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪切力。它必須滿足外部、內(nèi)部力和力矩的平衡法則。一次應(yīng)力的基本特征是非自限性的，它始終隨所加載荷的增加而增加，超過屈服極限或持久強度，將使管道發(fā)生塑性破壞。二次應(yīng)力是管道由于冷、熱態(tài)變形受約束產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。它本身不直接與外力相平衡。二次應(yīng)力的特征是有自限性的，當(dāng)局部屈服和產(chǎn)生小量塑性變形就能使應(yīng)力降低下來。二次應(yīng)力過大，當(dāng)應(yīng)變在多次重復(fù)交變的情況下，容易引起管道疲勞破壞［2］。

3.1 一次應(yīng)力校核條件

管道組成件的厚度及補強計算滿足要求時，則由于內(nèi)壓所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)認為是安全的［3］。內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為周向應(yīng)力的0.5倍，因此，管道中由于內(nèi)壓軸向應(yīng)力、重力和其他持續(xù)載荷所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和σL，不應(yīng)超過材料在設(shè)計最高溫度下的許用應(yīng)力 ［σ］h，即:

式中 F——壓力引起的軸向力之外的附加軸向外力，N;

A——管道橫截面積，mm2;

P——設(shè)計壓力，MPa;

D——平均直徑，mm;

S——壁厚，mm;

M——合成彎矩，N·mm;

W——抗彎截面模量，mm3。

3.2 二次應(yīng)力校核條件

二次應(yīng)力的校核條件來源于結(jié)構(gòu)安定性條件。當(dāng)載荷在一定范圍內(nèi)變化時，結(jié)構(gòu)內(nèi)不發(fā)生連續(xù)的塑性變形循環(huán)［4］。在初始幾個循環(huán)后，結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變都按線彈性變化，不再出現(xiàn)塑性變形，以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生低周疲勞。在工藝管道和動力管道中發(fā)生的疲勞破壞，雖然大多屬于低周疲勞，但某些循環(huán)次數(shù)高的管道也可能發(fā)生高周疲勞破壞，因此，二次應(yīng)力校核時還需引入應(yīng)力范圍減小系數(shù)f，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較高時，對二次應(yīng)力的允許范圍進一步加以限制，由此即得:

式中:σ2為二次應(yīng)力，MPa; ［σ］c為冷態(tài)許用應(yīng)力，MPa;［σ］h為熱態(tài)許用應(yīng)力，MPa。

4 冷啟動蒸汽疏水管道應(yīng)力校核及三通開裂問題分析

利用有限元法，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(xù)條件列出整個管系的變形協(xié)調(diào)方程［5］。冷啟動蒸汽疏水管道運行參數(shù)為溫度120℃、壓力0.1 MPa，經(jīng)計算接管座一次應(yīng)力合格，二次應(yīng)力最大值為815 MPa，超過許用應(yīng)力3.5倍，管道應(yīng)力超標(biāo)，詳見表1。

表1 冷啟動蒸汽疏水管道改造前連接三通焊口應(yīng)力

該機組主蒸汽管道如圖1所示南北走向水平管段總長42.1 m，其中14號固定支架以南長36.6 m。高溫運行時管道由14號固定支架位置向南熱膨脹，6、7號彈簧吊架間管道南向熱位移達240 mm，6、7號彈簧吊架吊桿嚴(yán)重傾斜，同時造成與之連接的冷啟動蒸汽管道隨主蒸汽管道向南有很大熱位移，在冷啟動蒸汽管道疏水管道接管座處產(chǎn)生較大的二次應(yīng)力。冷啟動蒸汽疏水管道規(guī)格為Φ32×3.5 mm，遠遠小于冷啟動蒸汽管道和主蒸汽管道的規(guī)格，其剛度和強度均遠遠低于這兩條管道，很容易發(fā)生管道焊口開裂事故。

5 解決方案

綜上所述，產(chǎn)生冷啟動蒸汽疏水三通開裂的關(guān)鍵原因即主蒸汽管道南北走向直管段過長，造成了冷啟動蒸汽管道南向熱位移過大，從而造成了疏水三通焊口二次應(yīng)力超標(biāo)。為解決此問題，考慮將9號導(dǎo)向支架更改為固定支架，并在9、10號支架間增加一個膨脹彎，用來吸收9～14號支架之間管道的熱膨脹量。

表2 主蒸汽管道應(yīng)力最大值表

對上述改造方法進行應(yīng)力核算，改造后的主蒸汽6、7號彈簧吊架間管道的熱位移減小到72 mm左右，不到改造前管道該處熱位移的1/3。主蒸汽管道運行參數(shù)為溫度540℃、壓力9.81 MPa，經(jīng)計算按上述改造一次應(yīng)力最大值為45.3 MPa，二次應(yīng)力最大值為123.6 MPa，均小于其許用應(yīng)力(見表2)，改造后主蒸汽管道應(yīng)力核算合格。由于主蒸汽6、7號彈簧吊架間管道熱位移減小，使冷啟動蒸汽疏水管道接管座處初始位移減小，相應(yīng)的二次應(yīng)力減小很多，經(jīng)計算其二次應(yīng)力最大值為165 MPa，小于許用應(yīng)力值。

圖2 膨脹彎示意圖

因此，改造9號支架，并在9、10號支架間增加膨脹彎的方法可行，可以解決三通管座開裂和S6、S7號支吊架嚴(yán)重偏斜問題。具體方案如下。

a． 膨脹彎為水平面內(nèi)的門型結(jié)構(gòu)，采用4個熱壓彎頭加3段直管。

b． 熱壓彎頭規(guī)格為 P=9.81 MPa，t=540℃，DN300，R=2D(外徑 D=377 mm)，材質(zhì)12Cr1MoV。

c． 3段直管規(guī)格為 Φ377×28 mm，材質(zhì)12Cr1MoV，長度分別為2 600 mm、2 300 mm、2 300 mm。因原管道更換下的直管段長度為5 800 mm，措施得當(dāng)，可將其分割成需要的直管段。

d． 增加滑動支座1個，膨脹彎設(shè)置及支吊架布置見圖2。

e． 將原9號導(dǎo)向支座改造為固定支座。

6 結(jié)論

經(jīng)對主蒸汽管線的改造，主蒸汽管道的熱位移狀態(tài)得到了控制，冷啟動蒸汽疏水管道端點的初始位移大幅減小，該管道三通的熱脹二次應(yīng)力降低到許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。機組啟機穩(wěn)定運行后，此三通焊口未再發(fā)生過開裂現(xiàn)象，冷啟動蒸汽疏水管道三通焊口開裂問題得到了解決。同時，主蒸汽管道S6、S7號吊架的吊桿運行狀態(tài)偏斜角度明顯降低，與豎直方向夾角小于3°，能夠滿足相關(guān)規(guī)程的要求。

管道系統(tǒng)的應(yīng)力狀態(tài)直接關(guān)系到管道的安全運行，而其應(yīng)力狀態(tài)取決于管道及其支吊架的布置和選型。因此，當(dāng)管道出現(xiàn)焊口開裂問題時，應(yīng)首先對其焊口附近的管道支吊架進行檢查。

［1］ 張超群．火力發(fā)電廠汽水管道支吊架檢驗、改造與調(diào)整［J］．東北電力技術(shù)，2005，26(4):1－4.

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

［3］ Charles BechtⅣ (著)，陳登豐，秦叔經(jīng)，等譯．工藝管道ASME B31.3實用指南 ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

［4］ 唐永進．壓力管道應(yīng)力分析 ［M］．北京:中國石化出版社，2009．

［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(shù)，2011，32(8):30－32.