火电机组吹管临时管道的设计与施工

2011-04-10陈志华

河北电力技术 2011年4期

陈志华

(河北省电力建设第一工程公司，石家庄 050051)

1 概述

根据火电机组的启动要求，新建机组的过热器系统、再热器系统、主蒸汽系统、再热蒸汽系统、高低压旁路系统等均应进行蒸汽吹扫，其目的在于清除在制造、运输、保管、安装过程中留在过热器或再热器内部的各种杂物(如沙粒、石块铁屑、氧化皮等)，同时提高机组安全性和经济性，并改善运行期间汽水品质。

火电机组的吹管方式分稳压吹管和降压吹管2种。稳压吹管：吹扫时锅炉升至吹洗压力，逐渐开启吹管控制门，在开启控制门期间，尽可能控制燃料量与蒸汽量保持平衡，控制门全开后保持吹管压力，吹扫一段时间后，逐渐减少燃料量，关小控制门，直至全关，一次吹管结束。控制门全开持续时间主要取决于补充水量，一般为15～30 min。一次吹管结束后，需要降压冷却，相邻两次吹扫需要间隔12 h。降压吹管：用点火燃料量升到吹洗压力，保持燃料量，并迅速开启控制门，利用压力下降产生的附加蒸汽吹管，降压吹管每小时不得超过4次，降压吹扫因压力、温度变化较大，吹扫效果较好，考虑主蒸汽管道寿命，吹扫时汽包压力下降值应当控制在相应饱和温度下降大于42 ℃。对直流锅炉而言，一般采用稳压吹管方式，设计有汽包的锅炉一般采用降压吹管方式。无论是稳压吹管还是降压吹管，火力机组现场临时管道布置通常分为一阶段吹管和二阶段吹管。一阶段吹管：机组全系统吹扫一次完成，采用一阶段蒸汽吹管需要在再热器入口加装集粒器。二阶段吹管：第一步吹扫过热器、主蒸汽管道、再热冷段管道，由锅炉再热器入口处排出；第二步吹扫过热器、主蒸汽管道、再热冷段管道、再热器系统、再热热段管道，自中压主蒸汽门伺服机构接临时管道排出。

2 吹管临时管道的设计与布置原则

2.1 吹管临时管道的设计

2.1.1 临时管道应力计算

吹管临时应力计算分2步：一次应力计算和二次应力计算。

一次应力是由于外力载荷而使管道产生的应力和剪应力，其计算结果必须满足外部和内部力或力矩的平衡法则，一次应力的特点是没有自限性的，始终随着外力载荷的增加而增大，不会随着时间的延长而有所降低，当它超过某一限度时，将使管道直接破坏，因此要严格控制一次应力的数值，使其控制在相应的许用应力范围内，管道在工作状态下由内压自重和持续外载产生的一次应力不得大于钢材在计算温度下的基本许用应力，计算公式为：

бL=PDn/(Dw2-Dn2)+0.75iMA/W ≤[б]t

(1)

式中：P为设计压力，MPa；Dw为管道外径，mm；Dn为管道内径，mm；i为应力增强系数；MA为自重和其它持续外载作用在管子横截面上的合成力矩，N·mm；W为管子截面抗弯矩，N·mm；[б]t为钢材在设计温度下的许用应力，MPa。

二次应力是管道的热膨胀应力。由于临时管道温度升高，管道的膨胀变形受到约束产生的正应力和剪应力不能与外力相平衡而产生的附加力，二次应力具有自限性特点。当管道局部屈服和产生小量塑性变形时就能使工作状态下的二次应力减小，对于二次应力的限定，并不是一个时间的应力水平，而是取决于交变应力的范围和交变的循环次数，因此多次重复使用的吹管临时管道在这方面应引起注意。二次应力一般不会直接导致临时管道破坏，只有在应力多次重复交变的情况下才能导致它的破坏，计算公式为：

бE=iMC/W≤f{[б]20+0.2[б]t1}

(2)

式中:i为应力增强系数；MC为按全部长值和钢材在20 ℃时的弹性模量计算的热膨胀引起的合成力矩，N·mm；W为管子截面抗弯矩，N·mm；f为应力范围减小系数,在设计寿命内与管道的温度周期性交变次数N有关,当N≤2 500时，f=1,当N>2 500时，f=4.7N-0.2；[б]20为钢材在20 ℃时的许用应力，MPa；[б]t1为钢材在设计温度下的热膨胀应力，MPa。

2.1.2 临时管道壁厚计算

吹管临时管道壁厚选用原则：位于吹管门前时，其计算压力Pjs≥9.8 MPa，计算温度tjs≥450 ℃；吹管门后可采用其计算压力Pjs≥4 MPa，计算温度tjs≥450 ℃；中压门后可采用其计算压力Pjs≥1.6 MPa，计算温度tjs≥450 ℃。

临时吹管门前管道直径与主蒸汽管道相同，热段管道排气管道可选用截面积大于2/3热段管。管道壁厚可以根据管道内径或外径进行计算。按内径计算时，计算公式为：

Sjs=PDw/(2[б]t2η+2YP)+α

(3)

按外径计算时，计算公式为：

Sjs=PDn/[2[б]t2-2P(1-Y)]+α

(4)

式中：P为设计压力，MPa；Dw为管道外径，mm；Dn为管道内径，mm；[б]t2为管道在设计温度下的许用应力，MPa；η为许用应力修正系数，无缝钢管取1，纵缝焊接钢管取决于焊接形势和探伤检验方式，螺旋电焊钢管按照SY/T 5037-2000《低压流体输送管道用螺旋缝埋弧焊钢管》[1]生产和无损探伤检验合格者取0.9；Y为温度对管子的修正系数，对于碳钢、低合金钢和高铬钢480 ℃以下时Y取0.4，510 ℃时Y取0.5，538 ℃以上时Y取0.7，480～510 ℃和510～538 ℃时的Y值采用内插法计算；α为考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，可以不考虑。

2.1.3 临时管道支吊架设计

临时管道支吊架在设计选用过程中多数选用“门”形架，其管道支架间距计算公式为：

L=0.2118·(E·I/q)1/4

(5)

式中：E为弹性系数，kN/mm2；I为管道截面惯性矩，cm4；q为管道单位长度重量，kN/m。

2.1.4 消音器的选择

消音器的选用取决于吹管时蒸汽的参数(排汽温度、排汽压力和蒸汽流量)，600 MW机组消音器排放量选在800 t/h左右，如果消音器选择太小，阻碍蒸汽排放，降低吹管系数，达不到吹管效果，如果消音器选择太大，起不到消音效果。消音器的设计与制作应遵循中压主蒸汽门后的参数。

2.1.5 堵板的加固

管道系统吹扫中常用的堵板主要有椭球形堵板、球形堵板、回转堵板和平堵板4种类型。对于标准堵板可依据参考文献[2]选取；但对于非标准堵板或者是现场制作内置堵板焊接时可采取角板加固方式，加固时应重点焊接角板与管道内壁连接部位。

2.1.6 三通的加固

吹管临时管道的三通一般在现场直接制作，由于母管和支管得壁厚计算均为管道壁厚计算，如果制作三通后，三通接口处应力较大，很容易出现裂口，因此需要将三通焊口位置进行加固。加固的类型分为披肩加固和钢筋补强加固，必要时可以采取三通母管整圈加固。

2.2 吹管临时管道的布置原则

国内某进口燃煤660 MW发电机组，1号机组于2000年3月进行蒸汽吹扫时，临时管道吹管时发生剧烈振动，导致每吹扫完成一次需要对振动较大部位的临时管道焊口进行检查和补焊。母管布置在16.7 m，支管最高点布置在18.5 m，标高差约2 m，另外自高压主蒸汽门出口管道设计2个直插三通，系统设计弯头和堵板等管件较多，对介质流动扰动较大。临时管道现场设计和布置没有固定的走向，为避免临时管道系统吹扫时再次发生剧烈振动，遵照以下原则，重新对管道进行布置后，振动现象消除，吹管工作正常进行。

2.2.1 对称布置

高压主蒸汽门后、中压主蒸汽门后管道布置时尽量采用对称布置，这样可以使得介质在管道内流动时的流动状态尽可能的接近，即便是汇流到母管时，来自不同支管的介质之间相互冲击不是很大，减少管道冲击。

2.2.2 低标高布置

结合目前单机机组容量较大，相应吹管临时管道直径和壁厚较大，因此临时管道布置时，应尽可能降低相对标高。如管道布置在汽机房运转层，吹管临时管道底部距运转层不要超过1 000 mm，只要能够保证焊接质量和正常引出临时管道即可。

2.2.3 留边靠柱布置

管道留边靠柱布置的目的是在满足管道应力布置的前提下，便于支吊架安装，因为靠近厂房柱边区域埋件较多，容易固定支吊架，尤其是载荷较大的支撑点显得尤为重要。

2.2.4 斜插

管道布置时不能使介质的主流方向在三通内改变，也就是说吹扫临时管道的三通设计安装应选用斜插三通，避免使用直插90°三通。这样可以避免蒸汽在管道内改变流动方向。同时避免由于介质在管道内部流动时产生冲击，减缓管道振动。

2.2.5 就地取孔

不论哪种吹扫方式，均需要从汽轮机房运转层引到汽轮机房0米层，通常所穿平台位置一般选在高压旁路门检修孔、上下楼梯或B列柱，这样可以实现就地穿孔，减少额外工作量。

2.2.6 成品保护

临时管道布置不论在汽轮机房，还是排汽口，必须考虑保护已完成的工程。如厂房内临时管道布置时要考虑管道热膨胀时是否伤及其它设备和管道(临时管道布置前充分考虑管道的膨胀方向和膨胀值，远离设备)。排汽口处的蒸汽是否会污染厂房外边的封闭墙板或其它管道等。

3 吹管临时管道安装注意事项

3.1 管道应力不平衡

造成管道不平衡现象的原因主要表现在以下三方面：小管与大管或刚性较大的管子串联在一起时，小管道会产生过高的应力；局部缩小的管道断面尺寸或局部采用强度较差的材质时，将产生应力不平衡现象；管道系统布置不合理，管道系统中的小部分远离推力线时，小部分管道将吸收大部分热胀应力而出现不平衡现象。针对以上3种情况，管道安装时要采取合理的限位装置或冷紧措施，以缓和弹性转移，防止局部区域应力集中。

3.2 主蒸汽门内置临时堵板螺丝孔泄漏

一般机组吹管一次蒸汽和二次蒸汽联络是通过主蒸汽阀门伺服机构处联通，采用堵板封闭主蒸汽门通向汽轮机方向，堵板均采用螺栓连接，但是蒸汽往往会通过固定堵板的螺栓缝隙向汽轮机内泄漏，一般处理方法是在螺栓孔处焊接罩帽，罩帽选用厚壁管道，如过热器减温水安装用的厚壁管道。

3.3 靶板反复吹飞

高温高压蒸汽在管道中流动，由于蒸汽的流速变化较大，而且受到管道走向和通流面积的影响，因此管道内部蒸汽流动过程中造成管道振动非常大，尤其在管系中的弯头、三通和阀门处，蒸汽扰动大，这样管道内部的仅仅靠2～3个螺栓固定的铝制靶板或铜制靶板很容易被吹飞。因此吹管临时管道靶板位置的一般安装在临时管系管件后4～6 m处。

3.4 吹管门卡涩

电厂在吹管过程中吹管门卡涩是比较常见的，卡涩的原因主要是阀门在高温高压状态下使用时，受热膨胀，相对动静间隙变小，使得阀门开启力矩大于阀门驱动电动机力矩。因此吹管门在安装前必须解体检查，主要检查阀座与阀芯之间的配合间隙，同时检查轴承、驱动装置、盘根、垫片等。轴承部位确保润滑良好。检修完毕后的阀门必须在空负荷下进行试运转，检查是否有异常响声，转动是否灵活，开启时间是否在60 s以内。

3.5 吹管靶板设计

要使靶板轴的设计达到足够的强度，其密封性、操作性、换取靶板时的安全性尤为重要。常用的靶板器结构有法兰式、直轴式、串轴式和框架式4种。前3种形式属于内置式靶板，框架式靶板属于外置式靶板。进入二阶段吹管时，尽量将第一阶段吹管结束后的靶板拆除，不要在第一阶段处安装靶板，吹管加工的靶板要抛光，肉眼检查不得发现瘢痕。采用直轴式靶板和法兰式靶板方式时，临时管道内必要焊接短的套管，主要用于限制靶板轴非法兰端，临时管道外壁所引短管要进行加固，防止由于靶板在吹扫过程中长时间晃动而发生断裂。