某電廠600 MW超臨界機(jī)組四大管道支吊架調(diào)整改造

田成川，張 浩

（1.華電電力科學(xué)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(jī)組四大管道支吊架調(diào)整改造

田成川1，張 浩2

（1.華電電力科學(xué)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(hào)機(jī)組四大管道支吊架的現(xiàn)狀及存在的問題，對(duì)四大管道系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)力核算，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行了應(yīng)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(jìn)行了調(diào)整、改造工作，使管道支吊架恢復(fù)正常狀態(tài)。

管道支吊架；應(yīng)力分析；材質(zhì)錯(cuò)用；管夾開裂；管道沉降

1 概述

某電廠6號(hào)機(jī)組為600 MW超臨界機(jī)組，2011年投入運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行過程中再熱（熱段）蒸汽管道1組支吊架管部結(jié)構(gòu)焊口多次開裂，經(jīng)檢查該管道多組恒力支吊架連續(xù)壓死，管道不能按原設(shè)計(jì)正常位移。對(duì)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(yīng)的作用，對(duì)于運(yùn)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(shì)必造成管道系統(tǒng)的二次應(yīng)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(jiān)督工作重點(diǎn)關(guān)注的四大管道（主蒸汽、再熱蒸汽和主給水管道），更應(yīng)該重視管道支吊架的檢驗(yàn)和調(diào)整工作。

2 四大管道支吊架狀態(tài)分析

通過對(duì)該廠6號(hào)機(jī)組四大管道支吊架冷、熱態(tài)對(duì)比分析，評(píng)估了各管道支吊架宏觀狀態(tài)，再熱（熱段）蒸汽管道支吊架問題最為嚴(yán)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(duì)該機(jī)組的四大管道支吊架進(jìn)行冷、熱狀態(tài)宏觀檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)支吊架存在的主要問題有：恒力支吊架冷、熱狀態(tài)位置異常；支吊架承載狀況不正常，存在過載、欠載、失載現(xiàn)象；吊桿偏斜嚴(yán)重、彎曲變形；橫擔(dān)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(tǒng)應(yīng)力分析

管道支吊架的調(diào)整和改造，必須建立在管道系統(tǒng)應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，盡可能使改造后的管道系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)得到優(yōu)化，確保管道系統(tǒng)應(yīng)力處于合格狀態(tài)［1］。一般情況下，首先分析管道系統(tǒng)的一次應(yīng)力狀態(tài)，需要驗(yàn)算內(nèi)壓作用到管道上的折算應(yīng)力，不得大于鋼材在運(yùn)行溫度下的許用應(yīng)力；還需驗(yàn)算持續(xù)外載作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和，不得大于鋼材運(yùn)行溫度下的許用應(yīng)力；對(duì)于偶然載荷作用一般只考慮安全門的影響因素。一次應(yīng)力超過屈服極限或持久強(qiáng)度，管道將發(fā)生塑性破壞［2］。然后對(duì)管道系統(tǒng)的二次應(yīng)力進(jìn)行分析，也就是管道系統(tǒng)熱脹應(yīng)力范圍的驗(yàn)算，管道系統(tǒng)二次應(yīng)力過大，在應(yīng)變多次重復(fù)交變的工況下，易產(chǎn)生疲勞破壞［3］，尤其高溫、高壓主蒸汽管道彎頭是鍋爐系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)［4］。除應(yīng)力分析外，在管道設(shè)計(jì)方面，一般還要求計(jì)算管道端點(diǎn)對(duì)設(shè)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(shí)際問題的計(jì)算分析方法

為解決管道支吊架的實(shí)際問題，需對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析。首先是對(duì)管道系統(tǒng)的應(yīng)力校核，即收集、審查原始設(shè)計(jì)資料，校核原設(shè)計(jì)是否存在問題。再結(jié)合管道支吊架的實(shí)際狀態(tài)，對(duì)管道及支吊架進(jìn)行評(píng)估。大多數(shù)情況下四大管道系統(tǒng)原設(shè)計(jì)應(yīng)力狀態(tài)是合格的，對(duì)于管道及支吊架存在的一般性問題，可以通過逐個(gè)調(diào)整達(dá)到設(shè)計(jì)要求的工作狀態(tài)［5］。但影響管道及支吊架實(shí)際狀態(tài)的因素有很多，設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)整、運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)都可能造成管道及支吊架狀態(tài)異常。支吊架問題嚴(yán)重的管道系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，則需要利用管道支吊架的實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)管道及支吊架狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，找到一條既經(jīng)濟(jì)又能保證管道安全的解決途徑。

3.2 管道系統(tǒng)應(yīng)力校核條件

由應(yīng)力分析可知，管道系統(tǒng)應(yīng)力校核條件主要有3個(gè)方面：內(nèi)壓折算應(yīng)力、一次應(yīng)力、二次應(yīng)力。

內(nèi)壓折算應(yīng)力校核條件：

式中：σeq為內(nèi)壓折算應(yīng)力，MPa；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；Do為管子外徑，mm；S為管子實(shí)測(cè)最小壁厚，mm；Y為溫度對(duì)計(jì)算管子壁厚公式的修正系數(shù)；η為許用應(yīng)力的修正系數(shù)；α為考慮腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度的附加厚度，mm；［σ］t為鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

一次應(yīng)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(nèi)徑，mm；MA為由于自重和其它持續(xù)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(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，0.75i不得小于1。

二次應(yīng)力校核條件：

式中：［σ］t為鋼材在20℃時(shí)的許用應(yīng)力，MPa；Mc為按全補(bǔ)償值和鋼材在20℃時(shí)的彈性模數(shù)計(jì)算的熱脹引起的合成力矩，N·mm；為熱脹應(yīng)力范圍，MPa；f為應(yīng)力范圍的減小系數(shù)。

3.3 四大管道應(yīng)力校核

管道系統(tǒng)屬于超靜定桿件結(jié)構(gòu)，計(jì)算方法基本上分為力法和位移法，現(xiàn)今常用的有限元應(yīng)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(xù)條件列出整個(gè)管道系統(tǒng)的變形協(xié)調(diào)方程。研究的核心是管道的機(jī)械強(qiáng)度和剛度問題［7］。對(duì)于該機(jī)組四大管道采用的計(jì)算參數(shù)見表2，通過管道有限元分析軟件Auto Pipe計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 管道計(jì)算的主要參數(shù)

表3 各管系的最大應(yīng)力值

由以上計(jì)算結(jié)果可知，各管系的應(yīng)力狀態(tài)合格，再熱（熱段）蒸汽管道最大應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值達(dá)到0.87，應(yīng)力值偏大。其他3條管道最大一次應(yīng)力、二次應(yīng)力與其許用應(yīng)力比值均在0.7以下。原管道系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)良好，管道支吊架現(xiàn)存的問題與設(shè)計(jì)無關(guān)。如果各管道支吊架制造、安裝質(zhì)量正常，應(yīng)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(shí)際狀態(tài)應(yīng)力分析

由于該管道支吊架存在問題較多，如果按原設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析與實(shí)際情況相差較大。該管道14、15、19、21號(hào)恒力吊架冷、熱狀態(tài)均處于壓死狀態(tài)，這4組恒力吊架實(shí)際所起的作用為剛性吊架。按剛性吊架狀態(tài)對(duì)其分析，則該管道一次應(yīng)力未發(fā)生變化，管道二次應(yīng)力最大值在T1三通位置達(dá)到306.807 MPa，是二次許用應(yīng)力的1.54倍，管道應(yīng)力超標(biāo)，管道系統(tǒng)最大應(yīng)力值見表4。同時(shí)，對(duì)于該管道29號(hào)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(huán)節(jié)，尋求其他解決辦法。取消29號(hào)彈簧支架，在于28、29號(hào)吊架相鄰的水平管道上各增加1組吊架。

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

表4 再熱（熱段）蒸汽管道的實(shí)際最大應(yīng)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(shè)計(jì)因素、產(chǎn)品制造質(zhì)量因素、安裝因素和運(yùn)行因素。

設(shè)計(jì)方面存在相似機(jī)組圖紙?zhí)子矛F(xiàn)象，設(shè)計(jì)人員過分依賴設(shè)計(jì)軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不熟悉。

產(chǎn)品制造質(zhì)量因素主要是恒力吊架產(chǎn)品制造質(zhì)量較差，恒定度、載荷偏差度要求達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。很多生產(chǎn)廠家沒有產(chǎn)品測(cè)試試驗(yàn)裝置，不能完成出廠試驗(yàn)。

安裝因素體現(xiàn)在新建機(jī)組管道支吊架安裝工作很多被分包，安裝單位不具備相應(yīng)資質(zhì)，監(jiān)理單位技術(shù)力量不強(qiáng)，沒有相關(guān)技術(shù)人員。

運(yùn)行因素為機(jī)組投入運(yùn)行初期與管道相連的聯(lián)箱隨鍋爐啟停發(fā)生位移，穩(wěn)定后與初始安裝位置發(fā)生變化，長期運(yùn)行的機(jī)組支吊架發(fā)生老化失效。

材質(zhì)錯(cuò)用：本機(jī)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(jīng)查閱資料，管夾及卡塊材料應(yīng)為200系列不銹鋼，適合于400℃以下使用。此問題的發(fā)生表明在設(shè)計(jì)、安裝、監(jiān)理各環(huán)節(jié)都存在問題，這種現(xiàn)象在超臨界機(jī)組中多次發(fā)生。

5 支吊架調(diào)整方案

根據(jù)四大管道支吊架系統(tǒng)的應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)比管道支吊架冷、熱狀態(tài)變化，確定了需要調(diào)整的支吊架以及需要改造的支吊架。通過對(duì)四大管道支吊架的調(diào)整改造，使管道系統(tǒng)膨脹達(dá)到正常，管道支吊架承載達(dá)到正常。對(duì)結(jié)構(gòu)不合理的支吊架進(jìn)行改造，使其不影響管道膨脹；對(duì)連接件失效的進(jìn)行更換，使其滿足管道支吊架承載條件；對(duì)安裝錯(cuò)誤的支吊架重新安裝；將漏油的阻尼器進(jìn)行更換；對(duì)冷、熱態(tài)承載異常的支吊架進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到設(shè)計(jì)安裝載荷；對(duì)制造質(zhì)量不合格的恒力吊架進(jìn)行更換；對(duì)于重新選型的支吊架進(jìn)行更換和安裝；對(duì)材質(zhì)錯(cuò)用的支吊架管部結(jié)構(gòu)件以及管部焊接件進(jìn)行了更換。

6 結(jié)束語

四大管道支吊架作為金屬監(jiān)督的一項(xiàng)重要內(nèi)容，引起了越來越多的重視。電力生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該在設(shè)計(jì)、采購、安裝、運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)加以控制。對(duì)新建機(jī)組的首次大修，對(duì)運(yùn)行8×104h以上機(jī)組的每次大修，都應(yīng)對(duì)四大管道支吊架進(jìn)行全面檢查，必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整、改造。

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

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

［3］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)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(píng)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(jī)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.

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

［7］送岢岢.壓力管道設(shè)計(jì)及工程實(shí)例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)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(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事管道應(yīng)力分析、管道支吊架檢驗(yàn)調(diào)整以及特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。

2016－07－27）