某电厂600MW超临界机组四大管道支吊架调整改造

田成川，张　浩

（1.华电电力科学研究院东北分院，辽宁沈阳110000；2.沈阳金山能源股份有限公司金山热电分公司，辽宁沈阳110100）

某电厂600MW超临界机组四大管道支吊架调整改造

田成川1，张浩2

（1.华电电力科学研究院东北分院，辽宁沈阳110000；2.沈阳金山能源股份有限公司金山热电分公司，辽宁沈阳110100）

本文介绍了某电厂6号机组四大管道支吊架的现状及存在的问题，对四大管道系统进行了应力核算，并结合实际情况进行了应力分析。综合分析管道支吊架存在问题的原因，提出整改方案，并进行了调整、改造工作，使管道支吊架恢复正常状态。

管道支吊架；应力分析；材质错用；管夹开裂；管道沉降

0　引言

某电厂6号机组为600MW超临界机组，2011年投入运行。机组运行过程中再热（热段）蒸汽管道1组支吊架管部结构焊口多次开裂，经检查该管道多组恒力支吊架连续压死，管道不能按原设计正常位移。此种情况，原有恒力吊架所起到的作用等同于刚性吊架，恒力吊架的功能件不能起到相应的作用，对于运行温度为508℃的再热（热段）蒸汽管道来说，竖直管道的膨胀量将全部通过弯头的变形来吸收，势必造成管道系统的二次应力急剧升高，缩短管道的寿命。

管道支吊架是管道的重要附件，是影响管道使用寿命的主要因素之一，特别是金属监督工作重点的四大管道（主蒸汽、再热蒸汽和主给水管道），更应该重视管道支吊架的检验和调整工作。

1　四大管道及支吊架状态分析

通过对该厂6号机组四大管道支吊架冷态、热态对比分析，评估了各管道支吊架宏观状态，再热（热段）蒸汽管道支吊架问题最为严重，炉顶水平管道多组恒力吊架压死，管道有下沉迹象。

通过对该机组的四大管道支吊架进行冷、热状态宏观检验，发现支吊架存在的主要问题有：恒力支吊架冷、热状态位置异常；支吊架承载状况不正常，存在过载、欠载、失载现象；吊杆偏斜严重、弯曲变形；横担偏斜以及支吊架损坏失效等问题详见表1，存在问题较严重的再热（热段）蒸汽管道支吊架布置示意图如图1所示。

表1　四大管道支吊架缺陷问题

2　四大管道系统的应力分析

管道支吊架的调整和改造，必须建立在管道系统应力分析的基础之上，尽可能使改造后的管道系统应力状态得到优化，确保管道系统应力处于合格状态[1]。一般情况下，一次应力超过屈服极限或持久强度，管道将发生朔性破坏[2]。管道系统二次应力过大，在应变多次重复交变的工况下，易产生疲劳破坏[3]，尤其高温、高压主蒸汽管道弯头是锅炉系统中最薄弱的环节[4]。除应力分析外，在管道设计方面，一般还要求计算管道端点对设备的推力和力矩。

2.1解决管道支吊架实际问题的计算分析方法

为解决管道支吊架的实际问题，需对管道系统进行应力分析。首先是对管道系统的应力校核，即收集、审查原始设计资料，校核原设计是否存在问题。再结合管道支吊架的实际状态，对管道支吊架进行评估。大多数情况下四大管道系统原设计应力状态是合格的，对于管道支吊架存在的一般性问题，可以通过逐个调整达到设计要求的工作状态[5]。然而，影响管道支吊架的实际状态的因素有很多，如设计、制造、安装、调整、运行等各个环节都可能造成管道支吊架状态异常。那么支吊架问题严重的管道系统的实际应力状态，则需要利用管道支吊架的实际受力状态进行模拟计算，对管道支吊架状态进行评估，找到一条既经济又能保证管道安全的解决途径。

2.2管道系统应力校核条件

管道系统应力校核条件主要有三个方面：内压折算应力、一次应力、二次应力。内压折算应力校核条件：

式中σeq─内压折算应力，MPa；

p─设计压力，MPa；

Do─管子外径，mm；

S─管子实测最小壁厚，mm；

Y─温度对计算管子壁厚公式的修正系数；

η─许用应力的修正系数；

α─考虑腐蚀、磨损和机械强度的附加厚度，mm；

[σ]t─钢材在设计温度下的许用应力，MPa。

一次应力校核条件：

式中σL—压力引起的轴向力之外的附加轴向外力，N；

Di─管子内径，mm；

MA─由于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─管子截面抗弯矩，mm3；

i—应力增强系数，0.75i不得小于1。

二次应力校核条件：

式中[σ]20─钢材在20℃时的许用应力，MPa；

MC─按全补偿值和钢材在20℃时的弹性模数计算的，热胀引起的合成力矩，N·mm；

σE─热胀应力范围，MPa；

f─应力范围的减小系数。

2.3四大管道应力校核

管道系统属于超静定杆件结构，计算方法基本上分为力法和位移法，现今常用的有限元应力分析法就是一种位移法[6]。将管道分成许多直单元或弧单元，利用单元与临接单元的力的平衡条件和变形连续条件列出整个管道系统的变形协调方程。研究的核心是管道的机械强度和刚度问题[7]。对于该机组四大管道我们采用的计算参数详见表2，通过管道有限元分析软件Auto Pipe计算结果详见表3。

表2　管道计算的主要参数

表3　各管系的最大应力值

由以上计算结果可知，各管系的应力状态合格，再热（热段）蒸汽管道最大应力与许用应力的比值达到87%，应力值偏大。其他三条管道最大一次应力、二次应力与其许用应力比值均在70%以下。原管道系统应力状态良好，管道支吊架现存的问题与设计无关。如果各管道支吊架制造、安装质量正常，应能满足承受管道载荷、控制管道位移的作用。

3　恒力吊架性能测试

恒力吊架用于管道热膨胀较大的位置，由于其在行程较大范围内输出载荷恒定的特性，在高温汽水管道中得到广泛的应用。然而近几年，在一些电厂中发现存在管道支吊架制造质量不合格现象。为解决管道支吊架的实际问题，需对原有恒力吊架性能进行测试，以了解管道支吊架的实际受力状态。

恒力吊架性能主要有两个指标，恒力吊架的恒定度和载荷偏差度。

式中Δ—恒定度；

WMax—整个回转过程最大载荷值，MPa；

式中λ—载荷偏差度；

Wb—标准载荷值，MPa；

Wa—拔销时实测载荷，MPa。试验采用BLR-1型拉压力传感器以及CD1型测试仪表，对再热（热段）蒸汽管道抽取了14、15号恒力吊架进行了测量。测试以行程10%点（此点载荷即为拔销载荷）为起点，以行程90%点为终点，平均分成5点进行载荷测量，详细测量结果见表4。2组恒力吊架恒定度分别为14.9%和30.1%远大于相关标准规定的6%，2组恒力吊架载荷偏差度分别为15.4%和53.5%远大于标准要求的5%，由此可知该管道恒力吊架制造质量不合格。

从测量数据还可以得出，2组恒力吊架下行载荷远大于上行载荷，14号吊架最大载荷偏差9950N，15号吊架最大载荷偏差34095N。同时，2组恒力吊架上行载荷均小于原设计载荷，15号吊架上行最小载荷较原设计小11229N，小了23.5%。说明该批恒力吊架机构摩擦阻力较大，当用于管道热膨胀方向向上的位置时，管道支吊架的实际载荷要远小于设计载荷，再热（热段）蒸汽管道13-21号恒力吊架正是此种情况。WMin—整个回转过程最小载荷值，MPa。

表4　恒力吊架恒定度测量

4　管道支吊架调整改造

管道支吊架调整改造方案，是根据四大管道支吊架系统的应力分析结果，对比管道支吊架冷、热状态变化，综合分析确定的。由于四大管道支吊架原设计应力状态合格，主蒸汽管道、再热（冷段）蒸汽管道及主給水管道支吊架不存在大量压死、脱空现象，管道支吊架现存的问题主要是由于支吊架安装、和个别支吊架制造质量缺陷造成的，可以通过逐个调整使其恢复正常。再热（热段）蒸汽管道支吊架炉侧部分存在连续8组恒力吊架压死状况，此8组恒力吊架热位移方向均向上，通过恒力吊架性能测试可知，压死的原因为恒力吊架上行载荷远小于设计载荷，为保障改管道的安全性，同时又考虑经济性需对该管道支吊架进行改造。

4.1四大管道中的共性问题处理方式

对结构不合理的支吊架进行改造，使其不影响管道膨胀；对连接件失效的进行更换，使其满足管道支吊架承载条件；对安装错误的支吊架重新安装；将漏油的阻尼器进行更换；对冷、热态承载异常的支吊架进行调整，使其达到设计安装载荷；对制造质量不合格的恒力吊架进行更换。对于重新选型的支吊架进行更换和安装。对材质错用的支吊架管部结构件以及管部焊接件进行了更换。

4.2再热（热段）蒸汽管道改造方案

由于该管道支吊架存在问题较多，如果按原设计参数对该管道进行应力分析与实际情况相差较大。该管道14、15、19、21号恒力吊架冷、热状态均处于压死状态，那么这四组恒力吊架实际所起的作用为刚性吊架。按刚性吊架状态对其分析，则该管道一次应力未发生变化，管道二次应力最大值在T1三通位置达到306.807MPa，是二次许用应力的1.54倍，管道应力超标，管道系统最大应力值见表5。同时，对于该管道29号弹簧支架管部焊接元件多次开裂的问题，为避开管部焊接环节，寻求其他解决办法。即可取消29号弹簧支架，在28、29号吊架相邻的水平管道上各增加一组吊架，避免在P91管道母材进行管部元件焊接。

综上所述，选择对14、15号恒力吊架重新选型，增加此两组恒力吊架载荷；对28号吊架上侧弯头、29号吊架下侧弯头处各增加1组吊架，需重新选型设计。14号恒力吊架选型为（T2.216+T2.216），载荷由原33316N增加至57500N；15号恒力吊架选型为（2×LHC 48-160/43450S-M36），载荷由原47766N增加至86900N。立管上下侧选型分别为（LHC 48-120/57950S-M42、T2.117）。对吊架重新选型后，管道的最大一次应力为48.6MPa，与许用应力的比值为69%，系统最大二次应力为170.6MPa，与许用应力的比值为85.5%（见表5），改造后管道系统应力合格，管道系统应力状态良好。

表5　再热（热段）蒸汽管道的实际最大应力值

5　结语

对该机组四大管道支吊架调整改造后，各管道支吊架冷、热态均达到正常承载状态。造成该机组四大管道支吊架存在缺陷的主要因素有以下三个方面：

（1）产品制造质量因素：主要是恒力吊架产品制造质量较差，恒定度、载荷偏差度要求达不到标准要求；一些生产厂家没有产品测试实验装置，不能完成出厂实验。

（2）安装因素：新建机组，管道支吊架安装工作很多被分包，安装单位不具备相应资质；监理单位技术力量不强，没有相关技术人员。

（3）监督检验因素：本机组锅炉厂配管部分，管夹及卡块材料合金含量分别为Cr14%、Ni6%、Mn4%左右，不符合任何一种高温用不锈钢的成分要求，管夹及卡块材质成分接近于200系列不锈钢，适合于400℃以下使用。材质错用现象在超临界机组中多次发生，说明在管道制造监检和安装监检力度不足。

四大管道支吊架作为金属监督的一项重要内容，引起了越来越多的重视。建议对于新建机组，电力生产企业应该在设计、采购、安装、运行各个环节加以控制。且各发电企业严格按照相关标准要求，对新建机组四大管道支吊架进行全面检验，必要时进行调整、改造。

[1]王致祥，梁志钊，孙国模，等.管道应力分析与计算[M].北京：水利水电出版社，1983.41-45；255-266.

[2]Charles Becht IV(著)，陈登丰，秦叔经，等译.工艺管道ASME B31.3实用指南[M].北京：化学工业出版社，2005.51-56.

[3]唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2009.49-76.

[4]周顺深.火电厂高温部件剩余寿命评估[M].北京：中国电力出版社，2006.17-18.

[5]田成川，闵玲春，徐云启.某电厂350MW机组再热（热段）蒸汽管道下沉治理[J].东北电力技术，2011,32（08）：30-32.

[6]田成川，徐云启，闵玲春.某电厂冷启动蒸汽疏水管道三通开裂问题治理[J].东北电力技术，2011,32（12）：30-32.

[7]送岢岢.压力管道设计及工程实例[M].北京：化学工业出版社，2007. 14-18.

Adjustment and Transformation for Four Pipe Hangers of a 600MW Supercritical Unit of a Plant

TIAN Cheng-chuan1，ZHANG Hao2
（1.Northeast Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Shenyang 110000，China；2.Jinshan Thermoelectric Branch of Shenyang Jinshan Energy Co.，Ltd，Shenyang 110100，China）

Thispapersummarizes thestatusand problems of the#6Unit ofa powerplant.Wehave the stress calculation for the fourpipesystem aswellas the stressanalysiscombinedwith theactualsituation.Itgivesaproposalon thecomprehensiveanalysis of theproblems ofthe pipehangers.The pipehangershave thenormalconditionsbyadjustingand transformation.

pipe hangers；stress analysis；material misuse；crack of pipe clamps；pipe Settlement

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.012

TM621

B

2095-3429（2016）05-0048-05

田成川（1983-），男，辽宁大连人，工学硕士，高级工程师，从事管道应力分析、管道支吊架检验调整以及特种设备检验工作。

2016-02-16

2016-09-07