大口径高温高压管道下沉分析

程勇明　马红　王军民　贺飞雄

(1.西安热工研究院有限公司　西安 710054；　2.东方希望包头稀土铝业电厂　内蒙古包头 014010)



大口径高温高压管道下沉分析

程勇明1马红1王军民1贺飞雄2

(1.西安热工研究院有限公司西安 710054；2.东方希望包头稀土铝业电厂内蒙古包头 014010)

以某电厂的主蒸汽管道为例，对其支吊架进行冷、热态检验，发现炉侧连续恒力吊架冷态时指针卡死下极限位置，热态时实际垂直热位移值较小，与设计严重不符。根据现场情况和应力计算结果综合分析，发现管道壁厚存在严重误差导致管道下沉。针对以上情况，首次提出了支吊架配置改造方案需要考虑的4个方面，给解决此类问题提供帮助。

壁厚误差管道下沉支吊架应力计算

0　引言

随着我国新建机组的急剧增多，大口径高温高压管道在运行过程中问题频发。多家电厂因为管道状态异常导致管道焊口泄漏，个别电厂甚至发生了管道爆破。这些事故后果严重，对现场工作人员的安全构成极大威胁，也造成了巨大的经济损失。

管道支吊架包括用以承受管道荷载、限制管道位移、控制管道振动并将荷载传递至承载结构上的各类组件或装置[1]。支吊架性能的好坏、承载是否合理直接影响管道的使用寿命及安全运行[2]。本文针对电厂最重要的大口径高温高压管道之一的主蒸汽管道下沉现状，分析了原因，提出了重新对支吊架进行配置的改造方案。

1　问题描述

对某电厂额定功率350 MW的亚临界燃煤发电机组主蒸汽管道支吊架进行了冷、热态检验，管道设计参数见表1，管道及支吊架布置见图1。

表1　主蒸汽管道设计参数

图1　主蒸汽管道及支吊架系统布置示意

检查结果见表2。检验发现,炉侧大面积恒力吊架状态异常，恒力吊架由最松弛位置到最拉紧位置对应的刻度为0%到100%，下极限指弹簧机构最拉紧位置。而冷态时恒力吊架指针均卡死在下极限位置(见图2)，热态时恒力吊架实际热位移均很小，与设计严重不符。17#单恒吊所在的直管段管道原设计坡度i=0.018，但实际冷态时测量坡度i=0.022，可见冷态时管线已明显偏离设计冷态线，而热态时管系又无法正常向上热膨胀。

表2　主蒸汽管道恒力吊架状态描述

图2　主蒸汽管道13#恒力弹簧支吊架冷热状态

主蒸汽管道炉侧发生了整体下沉，才导致大量支吊架状态异常。支吊架状态异常会改变管系受力和支吊架的承载分配，加大局部管段的变形，使得管系的局部应力增大甚至超过管材的许用应力，严重影响电厂的安全经济运行[3]。

2　问题分析与改造方案

冷、热态检验结果显示，管道重量呈明显大于支吊架实际承载能力的迹象。资料调查和现场测量显示，管道实际壁厚明显大于设计壁厚，主蒸汽主管实际规格为∅471.44×47.42 mm，实际壁厚比原设计壁厚大14.3%，实际每米管重比原设计值大16.6%。对管道进行应力校核计算发现，在考虑实际壁厚的情况下，原有支吊架配置不能有效满足吊点载荷要求。管道壁厚存在严重误差，导致主蒸汽管道下沉，因此需要按照管道实际情况进行管系应力分析与支吊架配置计算，并据此制订改造方案。方案的制定应该考虑以下4个方面：

(1)尽可能维持或降低管道的一次应力、二次应力、端点推力和推力矩。管道应力计算的主要工作是验收管道的一次应力和二次应力，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范围内。根据力学中力的独立性原理，将管道应力分为两种：由管道内压、自重和其他持续外载产生的轴向应力之和，称为一次应力；由热胀、冷缩和其他位移受约束而产生的热胀应力之和，称为二次应力[4]。

(2)合理布置或增加刚性吊架。合适的刚性支吊架可以有效地将管系膨胀分段，控制整个管系的走向，增加管道运行的稳定性。从标高30.400 m至62.939 m立管段，原设计连续布置了4组恒力吊架，考虑改变一组为刚性吊架。

(3)减少恒力吊架的配置。恒力吊架因其自身构造和制造工艺的关系，不可避免地存在荷载离差，GB/T 17116.1规定，在恒力吊架上下位移的整个行程范围内荷载离差不大于6%。有研究表明，对于运行时间较长或质量较差的恒力吊架，其荷载离差达15%～20%，而恒力吊架荷载离差增大会造成管系垂直向上热位移减小，管系热态整体发生相对向下的“下沉”现象，管系局部一次应力明显增高[5]。可以考虑将刚性吊架附近的恒力吊架更换为合适的变力弹簧吊架。

(4)尽量减少或不改变原有吊点位置。已投入运行的管道，支吊架安装空间和生根位置所在的承载结构或辅助钢结构均已很难改变，改变吊点位置会增加资金和时间的投入。

经过对管道支吊架配置反复尝试和应力计算，最后在原有吊点基础上制定了支吊架配置改造方案见图3。利用CAESARⅡ软件进行有限元模拟计算，改造前后主蒸汽管道最大应力计算结果见表3，端点推力见表4，端点推力矩见表5。

图3　蒸汽管道及改造后的支吊架系统布置示意

应力类型管系状态最大值/MPa许用应力/MPa计算值/许用值/%一次原设计37.7195.7439.39应力改造后44.6895.7446.67二次原设计82.89255.4232.45应力改造后104.42255.5340.86

由表3可知，按新的支吊架配置方案增加刚性吊架后，管系应力水平与原设计基本一致，一次应力和二次应力分布较为均匀，应力大小均在合理范围之内。

表4　管道端点推力

表5　管道端点推力矩

由表4和表5可知，改造后的端点推力和推力矩与原设计处于同一大小水平，满足设备接口要求。依据计算结果，得出各吊点的安装载荷、工作载荷以及热位移参数，对支吊架进行了相应的更换和调整。支吊架经更换及调整后，冷、热态下各支吊架工作状态正常，管道热膨胀与改造后的设计值符合，表明新的支吊架配置彻底解决了原设计支吊架载荷与管道重量严重不符的问题。

3　结论

(1)大口径高温高压管道整体下沉将导致大量支吊架状态异常，改变管系受力和支吊架的承载分配，使得管系应力增大，严重影响安全运行。

(2)针对大口径高温高压管道出现大面积支吊架状态异常的情况，不能仅通过调整管道支吊架解决问题，而应该针对现场实际情况，通过校核原始设计参数和应力计算等手段确定其产生的原因。

(3)重新对支吊架设计配置进行优化改造，可以尽量在不改变原有吊点位置的情况下，维持一次应力、二次应力、端点推力和推力矩大小，通过合理地配置刚性支吊架和减少恒力吊架，确保能够满足机组正常、安全运行的要求。

[1]林其略，周美芳.管道支吊技术[M].上海：上海科学技术出版社，1994.

[2]郭宗华，安付立，陈盛广，等.主蒸汽管道支吊架优化调整[J].工程技术，2009,32:78-80.

[3]李庆钊，马崇，杜筝，等.管道应力分析及失效支吊架调整对策[J].华北电力技术，2008(7)：9-11.

[4]DL/T 5366—2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规定[S].北京：中国电力出版社，2006.

[5]康豫军，姚军武. 恒力吊架荷载离差对管系热位移影响的研究[J].热力发电，2009,38(5)：72-76.

Analysis of Large Caliber High Temperature and High Pressure Pipe Subsidence

CHENG Yongming1MA Hong1WANG Junmin1HE Feixiong2

(1.Xi’anThermalPowerResearchInstituteCo.,Ltd.Xi’an710054)

Based on the analysis of main steam pipe hangers in cold and hot state，it is found that continuous constant hangers of boiler side are compressed to ultimate position in cold state. The actual vertical thermal displacement does not conform to design value in hot state. Site analysis and stress calculation show that the wall thickness deflection results in pipe subsidence. Four aspects are proposed firstly to be considered in hangers allocation and adjustment, which helps to solve similar problem.

wall thickness deflectionpipe subsidencehangersstress calculation

程勇明，男，1985年生，硕士，安徽芜湖人，西安热工研究院有限公司电站材料部工程师，主要从事电厂汽水管道支吊架优化调整、管道振动分析与控制、管道状态监测等研究。

2015-08-14)