发电厂管道支吊架典型设计缺陷剖析

唐 璐， 宋国辉， 李长宁， 王冠楠， 王雪峰

(1. 苏州热工研究院有限公司， 江苏苏州 215004； 2. 江苏省电力设计院有限公司， 南京 211102；3. 烟台龙源电力技术股份有限公司， 山东烟台 264006)



设计与制造

发电厂管道支吊架典型设计缺陷剖析

唐 璐1， 宋国辉2， 李长宁1， 王冠楠3， 王雪峰3

(1. 苏州热工研究院有限公司， 江苏苏州 215004； 2. 江苏省电力设计院有限公司， 南京 211102；3. 烟台龙源电力技术股份有限公司， 山东烟台 264006)

针对恒力弹簧支吊架选型未考虑支吊架零部件质量、支吊架设计未充分考虑支吊架实际尺寸和阻尼器选型未充分考虑行程裕量，剖析了这三类典型设计缺陷，为管道支吊架设计和改造提供了参考。

发电厂； 支吊架； 设计缺陷； 剖析

支吊架是管道系统的重要组成部分，其主要功能是承载管道的质量、约束管道的热位移和控制管道的振动[1]。支吊架设计是管道设计中的重要环节。合理设计管道支吊架的类型和位置能有效地控制管道的应力大小及其对设备的推力和推力矩，保证管道和设备长期安全稳定运行。如果支吊架设计不当，不能有效承载管道载荷，将可能导致一次应力超标；限位支架的不合理设置将影响管道的热胀冷缩，导致管道与设备接口推力和推力矩超出设备能够承受范围，造成二次应力超标，严重时将引起管道振动，威胁到管道和设备安全运行。

随着电力建设的迅猛发展，大容量、高参数机组不断建成投产，管道支吊架引发的安全事故时有发生，给机组的顺利投产和安全稳定运行带来严重的影响[2]。无论是在建机组或者在役机组，管道系统中存在管道支吊架失效问题，很大一部分问题是在设计过程中造成的。笔者根据长期从事管道支吊架检查和调整项目中发现的典型设计缺陷，分析了火电厂管道支吊架设计过程中易被忽视的环节，为管道支吊架设计及改造提供参考。

1 恒力弹簧吊架选型未计吊架零部件质量

支吊架零部件自重是支吊架载荷，尤其是弹性吊架载荷中一个重要组成部分。传统管道设计中并未足够重视支吊架零部件质量对弹性件选型的影响。在已完成的管道设计中，存在大量未计支吊架零部件质量的事例，其中某些支吊架安装时需要不断调整弹簧支吊架或恒力弹簧支吊架的弹簧，使得弹性件工作在非设计状态，造成管道各支吊点的实际工作(安装)载荷和设计(安装)载荷发生较大差异，甚至会发生吊架提不起管道，导致管道下沉[3]。由此原因造成的常见失效有两种情况：

(1) 单个支吊架工作失效。在管道冷热态位移变化较大、单个恒力弹簧吊架无法满足热位移时，可采用串联恒力弹簧吊架来解决问题。串联的两个恒力弹簧吊架选型应有所差别，上部的恒力弹簧吊架选型载荷应计及下部恒力弹簧吊架自身的质量、吊杆和管夹的质量；若串联的两个恒力弹簧载荷选型一致，上部的弹簧所承受的实际载荷将大于选型载荷，在拔除整定锁定销后，上部恒力弹簧吊架将会出现提不起管道的情况。某机组主蒸汽管道恒力弹簧吊架应力计算给出的载荷为76620N，热位移为向上377mm，由于单个恒力弹簧吊架无法满足这么大的热位移，采用了串联恒力弹簧吊架。串联的两个吊架都选了载荷78300N(已计入管夹载荷)，热位移向上189mm的恒力弹簧吊架，然而吊架自身荷重13790N(占吊架选用载荷近18%)，再加上此处其他载荷已超过78300N,由于上部恒力弹簧吊架选型载荷仍选择78300N，实际热态运行时上部恒力弹簧吊架处于下极限位置附近，存在很明显的提不起管道的现象(见图1)。

(2) 管系支吊架工作失效。随着大容量、高参数机组的不断发展，管道尺寸相应增大，管道支吊架零部件质量也不断增加。对于一些重要管道，目前设计院和支吊架厂家在吊架选型时已经计入这部分质量，但仍存在忽略附近限位装置、阻尼器管夹及附件质量的失误，从而造成较大的设计缺陷。

就实例情况来看，目前在部分在役机组的高温再热蒸汽管道上，由于恒力弹簧吊架设计选型未正确考虑附近吊架附件质量，造成一连串的恒力弹簧吊架处于极限位置，管道出现下沉等不安全现象。图2为某百万机组一段高温再热蒸汽管道局部布置图。

高温再热蒸汽管道设计参数如下：材质为A335P92，管道直径为749mm，管道壁厚为47mm，温度为608℃，压力为5.94MPa，设计数据见表1。

表1 支吊架计算和选型数据

从表1中可以看出：各个恒力弹簧吊架载荷选型计及了管夹及附件的荷重，但是限位支架、限位拉撑杆和阻尼器管夹、附件荷重没有计入相邻的恒力弹簧吊架中，仅该段管道就缺少了22500N的载荷，恒力弹簧吊架2020、2021和2024均选型偏小，机组热态运行时，吊架提不起管道，管道向上的热位移严重不足。以2024恒力弹簧吊架为例，设计热位移为向上313.1mm，而实际运行过程中，恒力弹簧吊架指示严重偏离设计状态，处于下极限位置。图3为现场恒力弹簧吊架状况，很显然该处吊架提不起管道，管道明显下沉。

总的来看，支吊架零部件质量除了应包括吊杆、管夹及连接件等组件的质量外，对于串联的弹簧和恒力弹簧，尤其必须注意到上部弹性件的荷载应包含相应下部弹性件的质量。未计入或不正确的计入支吊架零部件质量可能对管道产生较大的不利影响，甚至导致支吊架工作失效。这种设计缺陷不仅能对单个支吊点产生不利作用，还有可能对整个管道系统造成明显不利的后果。

2 支吊架设计时未充分考虑支吊架实际尺寸

部分设计单位在设计出图过程中仅提供了管道支吊架根部、管部、连接件和弹簧等功能件型号、管部和根部位置标高等信息，但并未给出管道支吊架的详细安装图。这有可能在选型过程中忽略支吊架本身的尺寸而导致现场无法安装。

如某600MW超超临界机组高压加热器疏水管道吊架无安装详图，仅提供了明细表，信息如下：根部标高13.33m，管部标高12.2m，工作载荷20000N，热位移向上17mm，根部选型单孔吊板G12.36，管部管夹选型三孔短管夹D2A.219S，弹簧选型T2.213，拉杆型号L1A.30-273，连接件吊环螺母L7.30。查找《汽水管道支吊架设计手册》可知：单孔吊杆生根到受力点距离70mm，D2A.219S管部中心线到受力点距离350mm，吊环螺母L7.30长115mm，弹簧T2.213长630mm，根据上述信息得出装配示意图见图4。从生根到管中心距离总长为1438mm，而现场根部标高到管部标高的距离仅有1130mm，现场无法安装。这是一个典型的未考虑到弹簧尺寸而导致现场无法安装的情况。

另外，支吊架的布置应考虑到疏水点及管道焊缝位置。图5为机组二段抽汽管道未充分考虑支吊架尺寸，支吊架距离疏水点及焊缝位置太近而导致现场支吊架无法安装的例子。

二段抽汽管道设计参数如下：材质为12Cr1MoVG，管子直径为273mm，管子壁厚为11mm，温度为410℃，压力为7.3MPa。电动闸阀2和气动逆止阀3之间距离为582mm，其中还布置一个疏水点SS1，电动闸阀和疏水点之间距离为300mm，其中还设置了101号弹簧吊架。弹簧吊架所选管夹型号为D1.273H，管夹宽度为70mm。标准规定支吊架距环焊缝边缘的净距不应小于50mm；需要热处理的焊缝距支吊架边缘的最小净距离应大于焊缝宽度的5倍，且不得小于100mm[4]。现场由于支吊架距离焊缝位置太近而无法安装。

目前汽水管道支吊架的设计都通过专业软件完成，烟风煤粉管道设计的自动化程度相对较低[5]。当手工设计支吊架时，应充分重视支吊架零部件的实际尺寸，以防安装空间不足。

3 阻尼器的选型未考虑行程裕量

阻尼器行程的选择由管道在阻尼器处的热位移来决定。选择的阻尼器应使冷、热态均有足够的位移裕度，未充分考虑管道热位移对于阻尼器的影响，阻尼器会因管道位移超限而损坏。

某百万超超临界机组高压旁路422号和427号X向阻尼器热态均被拉断。查阅图纸后发现，这两个阻尼器在设计时自由行程选择偏小。以422号阻尼器为例，安装处X向热态位移为136mm，选型号为DA2-150，自由行程为150mm的阻尼器。此阻尼器最大位移偏小，未满足预留20%的位移裕量。即使阻尼器安装时能够严格按照图纸安装，在机组长期运行过程中，管道由于应力松弛而使管道塑性变形等因素，热位移有可能超出设计值，从而导致阻尼器位移超限而损坏。重新设计时选择了300mm行程的阻尼器，现场割开生根，根据新选择的阻尼器尺寸重新焊制生根，机组启动后，阻尼器运行状况正常。图6(a)为原两侧阻尼器位移均超出极限位置，阻尼器生根处被拉断；图6(b)显示阻尼器重新选型设计后，热态运行时阻尼器状况正常。

4 结语

支吊架零部件自重是支吊架载荷中不容忽视的一个重要组成部分。恒力弹簧吊架的载荷选型不仅需要考虑吊架零部件质量，还需要计入附近的限位管夹或阻尼器管夹的质量，对于串联的(恒力)弹簧吊架，上部弹性件载荷应计入下部弹性件质量。

支吊架的布置需要充分考虑支吊架自身功能件的尺寸、管道焊缝及疏水点位置，尽量避免在焊缝及疏水点附近。

阻尼器的设计选型应充分考虑热位移的影响，其最大工作行程应比管道在阻尼器处的热位移矢量和大20%，且至少大20mm。阻尼器行程一般150mm一档，管道热位移在接近行程跳档附近时，应选择行程大一档的阻尼器，从而预留出足够的裕量，避免阻尼器因管道应力松弛等因素超出行程而损坏。

[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] 任杰, 李世明, 任飞. 330MW机组锅炉管道支吊架故障分析及调整[J]. 发电设备, 2013, 27(3): 197-199.

[3] 唐璐, 孙中元, 李英. 高温再热蒸汽管道下沉原因分析及处理[J]. 广东电力, 2014, 27(1): 5-8.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部, 国家质量监督检验检疫总局. 工业金属管道工程施工规范: GB 50235—2010[S]. 北京: 中国计划出版社, 2011.

[5] 宋国辉, 唐璐, 姜武, 等. 基于Caesar II的送粉管道设计分析及优化[J]. 陕西电力, 2015, 43(6): 79-82, 87.

Analysis on Details Easily Neglected in Design of Piping Supports and Hangers in Power Plant

Tang Lu1, Song Guohui2, Li Changning1, Wang Guannan3, Wang Xuefeng3

(1. Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd., Suzhou 215004, Jiangsu Province, China;2. Jiangsu Electric Power Design Institute Co., Ltd., Nanjing 211102, China;3. Yantai Longyuan Power Technology Co., Ltd., Yantai 264006, Shandong Province, China)

As for following three typical details easily neglected in the design of constant supports and hangers, such as choosing supports and hangers without considering their weight, designing supports and hangers without adequately considering their actual sizes, and choosing the snubber without fully considering the travel margin, etc., an analysis was conducted, which may serve as a reference for the design and retrofit of piping supports and hangers.

power plant; support and hanger; design deficiency; analysis

2016-03-01

唐 璐(1983—)，男，工程师，主要从事管道设计、管道应力分析、支吊架调整和管理振动治理工作。

E-mail: tanglu@cgnpc.com.cn

TM621.72

A

1671-086X(2016)06-0395-04