火电厂管系应力分析及管道支吊架优化

2014-02-01冯展管吴成军

中国科技信息 2014年2期

冯展管吴成军

为了提高火电厂生产运行的安全性和可靠性，从理论上对火电厂管系应力分析进行了概述，总结和分析了管道支吊架常见的一些问题，并针对这些问题，提出了支吊架调整的方法。

1 概述

火电厂机组中的四大管道主要指主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、低温再热蒸汽管道和高压给水管道。由于火电厂机组容量的不断增加，四大管道的各个设计参数不断的提高，壁厚及管径也不断增大，给高温蒸汽管道的安全运行带来了不小的隐患。尤其是近几年来，火力发电厂机的汽水管道时有爆破事故发生，对电厂人身安全造成了威胁，也给火电厂造成了重大的经济损失。保证管系的应力水平在规范的许用应力范围内是设备安全可靠运行的前提条件，管道的性能状况会直接影响机组的安全运行。管道的规格、保温材料的重量、管系中刚性件的重量、管系的约束条件以及管道支吊系统等都是决定管系应力水平的关键因素。

管道支吊架是管道系统中的一个重要组成部分，它对管道起着承受荷载、限制位移和控制振动等作用。合理布置和选择支吊架以及对出现问题的支吊架进行调整对管道和设备的安全运行起到了至关重要的作用。

2 火电厂管系应力分析

应力分析目的

管系应力分析是通过计算来判明所计算的管道是否安全、经济和合理，是管道设计非常关键的一步。管系应力分析的目的是通过验算管道在自重、介质运行压力及其他外载的冲击或振动所产生的一次应力，和由于管道热胀冷缩热胀及由温度梯度等引起的热载荷所产生的二次应力，来判断所验算的管道是否安全、合理和经济，判明管道对设备的作用力是否在设备所能承受的安全范围内。

管系应力分析的最终目的就是要保证管道在各种环境条件下都能够安全运行，所以不能简单的认为管系应力分析合格的计算结果就是实际运行的结果，应留有一定的裕量。在保证管道安全的前提下，还应尽可能地使管道选材和用量经济合理，降低成本。

管系应力基本概念

作用于汽水管道的载荷有很多种，一般包括：管道自重、保温材料重量、阀门、法兰、三通等管件重量所产生的载荷，由于管内介质的内压产生的载荷，风力、地震的冲击力、管道支吊架反力等产生的载荷，由于管道热胀冷缩或温度梯度变化所产生的热载荷，管道安装时各部分尺寸误差所产生的安装残余应力，管端位移引起管系变形的位移载荷，它们都会使管道发生变形。此外，还有由于压力脉动而产生的管道振动引起的载荷，以及液击产生的冲击波引起的载荷等也是管系设计中需要考虑的载荷。不同类型的载荷会对管道产生不同程度的破坏，因此需要对载荷进行分类。在汽水管道应力分析中，一般将应力划分为一次应力和二次应力。

一次应力：由于管道承受内压、自身重力及其他持续外载作用所产生的应力。它随外荷载的增加而增加。一次应力是没有自限性的，即当管道内的塑性区达到极限状态，使其变成几何尺寸可变的机构时，即使外荷载不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直到破坏。为了保证管系安全，管道的许用应力范围都留有适当的裕量，以防止管道因发生过度的塑性变形，而导致管道失效或破坏。

二次应力：管道由于热胀冷缩变形受到约束，而产生的应力（热胀应力），它本身不直接与外力相平衡。二次应力是有自限性的，在反复多次的交变应力作用下，使管道产生疲劳，直至破坏。二次应力是管道疲劳破坏的主要原因。为了保证管系安全可靠，除需考虑许用应力允许范围，还应该控制限定管道在运行期间的交变循环次数。

峰值应力：管道实际运行时，由于结构形状、载荷的局部突变引起局部应力集中，即一次应力与二次应力相互叠加，叠加应力即为峰值应力。随着管道运行工况的变化，峰值应力也随之变化。峰值应力的特点是整个结构不产生任何显著的变形，它是脆性断裂和疲劳破坏的根源。应控制峰值应力在安全应力范围之内，并限定管道冷热循环交变次数小于安全设计次数，以保证管系安全运行，不产生疲劳破坏。

主要内容

管道应力分析主要包括静力分析和动力分析两部分。

静力分析包括：为防止塑性变形而进行的一次应力计算；为防止疲劳破坏而进行的在管道热胀冷缩等各种位移荷载作用下的二次应力计算；管道支吊架的受力计算；对管道设备作用力的计算；以及对管道上的法兰进行的受力计算。

动力分析包括：为了控制管道振动及应力的管道强迫振动响应分析；为防止管道发生共振的管道自振频率分析；防止气柱共振的往复压缩机气柱频率分析；控制压力脉动值的往复压缩机压力脉动分析。

管道应力分析原理和计算方法

采用梁模型在管道应力分析中进行模拟。GLIF 的计算方法是基于有限单元法。有限单元法是把管系离散成为有限的直单元和弯单元，可认为力和变形都是通过单元与单元之间的连接节点进行传递。整个管系的受力、变形及内力分布都可以由各节点的受力、节点位移及节点力体现出来。进行静力学应力分析时，通过单元分析、单元集成，利用高斯消元法求解各单元节点力，并对各个单元按照一定的步长求解其单元内点应力。对于直单元步长取长度，而弯单元的步长取弧度。最后得到管系中最大的应力及其作用点，从而确定其应力状态。有限单元法相比于其他计算方法的优势在于既能够计算树状分支的管系，也能够计算环状闭合的管系。

动力分析仍采用有限单元法，与静力学分析的不同之处在于单元分析对于物体所受到的载荷还需要考虑单元阻尼力和惯性力等因素。同样利用高斯消元法求解各节点应力，采用逐步积分法或振型叠加法求得管系的动力响应、固有频率等。

3 管道支吊架优化调整

支吊架类型及作用

管道支吊架按功能及用途可分为三类。

（1）承重支吊架，承受管道载荷，包括恒力支吊架、可变弹簧支吊架和滑动支架等。它主要用于需要限制转移载荷的地方，管道垂直位移较大、不太大、垂直位移很小或无垂直位移的地方。

（2）限位支吊装置，起限位作用，防止发生管道位移，包括导向装置、限位装置、固定支架等。它主要用于管系中需要限制位移的地方，不允许有任何方向位移的地方，以及引导管道位移方向或需要控制管道沿轴线转动的地方。

（3）震动控制装置，用于控制管道振动、摆动或冲击，如减震装置、阻尼器等。它主要用于需要控制冲击性和持续性的流体振动的地方，以及地震激扰的地方。

支吊架调整和管系应力的关系

管道所承受的一次应力和二次应力的大小，受温度、压力、管道自重、保温层重量、管道的布置方式、支吊架配置等因素的影响。其中管道所承受的内压、管道自重、支吊架配置等因素决定了管道一次应力的大小，温度、管道空间布置及支吊架配置、受力等因素决定了二次应力水平。所以这些因素当中，除支吊架承载，其他因素在运行期间一般不会因为状态的改变而出现大的变化或波动。支吊架的载荷与关系应力水平及管道安全息息相关。

通常可通过检验支吊架配置、承载及其热位移，确定支吊架系统的安全运行水平，通过调整支吊架来改善管道的应力分布，延长管道的使用寿命。

管道支吊架常见问题分析

（1）支吊架安装不当。管道支吊架在安装期间，没有完全按设计要求进行安装，导致出现一系列问题，如支吊架安装位置有误，支吊架型号、类型及数量不符合设计要求，支吊架安装预留间距不足，现场出现的普遍问题是吊架偏装、支吊架与附近管道或设备卡、碰严重。

（2）弹簧支吊架承载异常。弹簧支吊架安装载荷及工作载荷欠载或过载，使得弹簧支吊架根本无法达到设计运行要求。此时，欠载或过载的载荷很容易转移到其他的支吊架上，影响其他支吊架的运行状态。对于恒力弹簧支吊架常出现的问题是压死或脱空，还会引起吊杆断裂等问题，给管道的安全运行带来隐患。

（3）管道热膨胀受阻。管道热膨胀受阻通常是由于管道设计不合理所导致的，当热膨胀受阻时，由于管道与其相邻设备或管道的间隙较小，管道对其相邻的结构的作用力很大，会引起其相邻结构的破坏。

（4）阻尼器状态异常。主要表现为漏油，阻尼器行程小于管道热位移导致的活塞杆断裂，由于冷热态行程分配不合理导致的管道热膨胀受阻。

（5）刚性支吊架卡塞或脱空。刚性支吊架主要有导向支架、滑动支架、刚性吊架和固定支吊架。在实际中由于支吊架配置不合理、安装质量不良、变形、锈蚀等原因，导致滑动支吊架滑动受阻，导向支吊架导向错误等。刚性吊架的冷态脱空是指安装过程中没有将其调紧，热态脱空是指实际热位移的方向与预计不符。冷态脱空和热态脱空都会使管道的应力增大，导致管道出现安全隐患。

（6）支吊架结构损坏。管部损坏是由于管部压力过大、材料质量问题等原因所致，主要表现为管部断裂或存在裂纹，支架管部管夹松动等。支吊架根部损坏是由于支吊架生根梁的采用方式以及根部连接件穿孔部位的开孔大小不当所致。支吊架连接件损坏是由于连接件的材质质量差、支吊架受力异常，管道振动、冲击、锈蚀严重等原因所致。

管道支吊架优化调整

管道支吊架的调整主要是调整管道标高和调整管道支吊架荷载的分配；在管道安装过程中，管道标高和水平管道的水平坡度通过调节支吊架的吊杆长度来调节；管道支吊架的载荷分配通过冷态调整和热态调整。对实际位移值与设计值相差较小的支吊架进行冷态调整，若为多线平行管道，按从炉顶向下的顺序进行。

调整原则

由于所设计的管道自重、管道保温材料厚度、管道支吊架的安装位置等各种参数与现场实际情况存在一定的偏差，因此，在管道支吊架调整时，我们认为管道支吊架承受的荷载与设计荷载相近即符合要求。

调整方法

（1）管系应力分布不变法。在保持原管系的应力设计不变的同时，对管系支吊架进行调整。该方法只适用于支吊架失效率低、无明显下沉的管道。

对于转体锈死、拉至最下位的恒力支吊架和已压并的变力弹簧支吊架，用有荷载传感器的装置来测定其实际荷载。对未并圈的变力弹簧支吊架，通常的做法是先测量弹簧高度，再推算其实际承受荷载。为了减小推算荷载误差，首先应该对旧弹簧的刚度进行测量。

将各吊点测得的实际承受荷载与其设计荷载做比较，调整不符合设计要求的吊点，使其符合设计值。由于管系各吊点之间相互关联，因此，调整任意一个吊点的荷载都会引起相邻吊点荷载的变化。只有对支吊架反复进行调整，才能够使各吊点的承受荷载与设计值接近。

（2）管系应力重新设计法。即对管系应力全部重新进行设计，如可以在管系的适当位置设置刚性吊点。该方法能够有效控制管系的位移，阻止管系下沉，适用于支吊架失效率高、有明显下沉的管道。通过对新管系进行应力计算，以确定管系原吊点位置的承受荷载及热位移。对不满足新设计的荷载和热位移的支吊架重新进行选型，对能够满足的支吊架进行调整，使其满足设计要求。

调整过程

按冷态和热态分别进行调整。

在管道投运前进行冷态调整，主要内容包括支吊架的荷载分配、检查弹簧状态、紧固螺母、阻尼器的行程分配、恒吊指针、冷态弹性吊架复查等，保证各刚性支吊架吊杆无松弛现象、恒吊指针处于安装位置、各变力弹簧指针处于冷态标识位置、冷态弹簧的压缩数据与设计规定值相符、各个限位装置稳定牢固、阻尼器行程及功能符合要求、防冲支架间隙满足设计要求。调整完成后，需解除弹性支吊架的锁定。由于支吊架荷载的调整会引起其相邻支吊架荷载变化，因此，在调整每个支吊架的同时，需检查并调整其相邻的支吊架。

在机组启动达到额定负荷8h 之后，对支吊架进行热态调整，一般情况下只需微调，便可使全部支吊架都符合设计要求。有热位移的管道，应测出冷态与受热的热位移偏差值，若偏差较大，应根据管道的实际情况具体进行分析及处理。简易式弹簧支吊架，需将其冷、热态的荷载换算为弹簧高度，再根据弹簧高度进行调整。一般情况下，不对恒力吊架进行荷载调整，或通过调节螺杆对恒力支吊架荷载进行微调。刚性吊架的荷载可通过调整松紧螺母进行调节。首次试运结束，管道由热态恢复为冷态时，要进行全面检查，查看各部位支吊架是否回到冷态位置。

支吊架的调整需要反复进行，在调整过程中应细心观察，积累经验。