大口徑高溫高壓管道下沉分析

程勇明　馬紅　王軍民　賀飛雄

(1.西安熱工研究院有限公司　西安 710054；　2.東方希望包頭稀土鋁業(yè)電廠(chǎng)　內(nèi)蒙古包頭 014010)

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大口徑高溫高壓管道下沉分析

程勇明1馬紅1王軍民1賀飛雄2

(1.西安熱工研究院有限公司西安 710054；2.東方希望包頭稀土鋁業(yè)電廠(chǎng)內(nèi)蒙古包頭 014010)

以某電廠(chǎng)的主蒸汽管道為例，對(duì)其支吊架進(jìn)行冷、熱態(tài)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爐側(cè)連續(xù)恒力吊架冷態(tài)時(shí)指針卡死下極限位置，熱態(tài)時(shí)實(shí)際垂直熱位移值較小，與設(shè)計(jì)嚴(yán)重不符。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果綜合分析，發(fā)現(xiàn)管道壁厚存在嚴(yán)重誤差導(dǎo)致管道下沉。針對(duì)以上情況，首次提出了支吊架配置改造方案需要考慮的4個(gè)方面，給解決此類(lèi)問(wèn)題提供幫助。

壁厚誤差管道下沉支吊架應(yīng)力計(jì)算

0　引言

隨著我國(guó)新建機(jī)組的急劇增多，大口徑高溫高壓管道在運(yùn)行過(guò)程中問(wèn)題頻發(fā)。多家電廠(chǎng)因?yàn)楣艿罓顟B(tài)異常導(dǎo)致管道焊口泄漏，個(gè)別電廠(chǎng)甚至發(fā)生了管道爆破。這些事故后果嚴(yán)重，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全構(gòu)成極大威脅，也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

管道支吊架包括用以承受管道荷載、限制管道位移、控制管道振動(dòng)并將荷載傳遞至承載結(jié)構(gòu)上的各類(lèi)組件或裝置[1]。支吊架性能的好壞、承載是否合理直接影響管道的使用壽命及安全運(yùn)行[2]。本文針對(duì)電廠(chǎng)最重要的大口徑高溫高壓管道之一的主蒸汽管道下沉現(xiàn)狀，分析了原因，提出了重新對(duì)支吊架進(jìn)行配置的改造方案。

1　問(wèn)題描述

對(duì)某電廠(chǎng)額定功率350 MW的亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道支吊架進(jìn)行了冷、熱態(tài)檢驗(yàn)，管道設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，管道及支吊架布置見(jiàn)圖1。

表1　主蒸汽管道設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1　主蒸汽管道及支吊架系統(tǒng)布置示意

檢查結(jié)果見(jiàn)表2。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),爐側(cè)大面積恒力吊架狀態(tài)異常，恒力吊架由最松弛位置到最拉緊位置對(duì)應(yīng)的刻度為0%到100%，下極限指彈簧機(jī)構(gòu)最拉緊位置。而冷態(tài)時(shí)恒力吊架指針均卡死在下極限位置(見(jiàn)圖2)，熱態(tài)時(shí)恒力吊架實(shí)際熱位移均很小，與設(shè)計(jì)嚴(yán)重不符。17#單恒吊所在的直管段管道原設(shè)計(jì)坡度i=0.018，但實(shí)際冷態(tài)時(shí)測(cè)量坡度i=0.022，可見(jiàn)冷態(tài)時(shí)管線(xiàn)已明顯偏離設(shè)計(jì)冷態(tài)線(xiàn)，而熱態(tài)時(shí)管系又無(wú)法正常向上熱膨脹。

表2　主蒸汽管道恒力吊架狀態(tài)描述

圖2　主蒸汽管道13#恒力彈簧支吊架冷熱狀態(tài)

主蒸汽管道爐側(cè)發(fā)生了整體下沉，才導(dǎo)致大量支吊架狀態(tài)異常。支吊架狀態(tài)異常會(huì)改變管系受力和支吊架的承載分配，加大局部管段的變形，使得管系的局部應(yīng)力增大甚至超過(guò)管材的許用應(yīng)力，嚴(yán)重影響電廠(chǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3]。

2　問(wèn)題分析與改造方案

冷、熱態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，管道重量呈明顯大于支吊架實(shí)際承載能力的跡象。資料調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量顯示，管道實(shí)際壁厚明顯大于設(shè)計(jì)壁厚，主蒸汽主管實(shí)際規(guī)格為?471.44×47.42 mm，實(shí)際壁厚比原設(shè)計(jì)壁厚大14.3%，實(shí)際每米管重比原設(shè)計(jì)值大16.6%。對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力校核計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在考慮實(shí)際壁厚的情況下，原有支吊架配置不能有效滿(mǎn)足吊點(diǎn)載荷要求。管道壁厚存在嚴(yán)重誤差，導(dǎo)致主蒸汽管道下沉，因此需要按照管道實(shí)際情況進(jìn)行管系應(yīng)力分析與支吊架配置計(jì)算，并據(jù)此制訂改造方案。方案的制定應(yīng)該考慮以下4個(gè)方面：

(1)盡可能維持或降低管道的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、端點(diǎn)推力和推力矩。管道應(yīng)力計(jì)算的主要工作是驗(yàn)收管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，以及管道對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的推力和力矩應(yīng)在設(shè)備所能安全承受的范圍內(nèi)。根據(jù)力學(xué)中力的獨(dú)立性原理，將管道應(yīng)力分為兩種：由管道內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和，稱(chēng)為一次應(yīng)力；由熱脹、冷縮和其他位移受約束而產(chǎn)生的熱脹應(yīng)力之和，稱(chēng)為二次應(yīng)力[4]。

(2)合理布置或增加剛性吊架。合適的剛性支吊架可以有效地將管系膨脹分段，控制整個(gè)管系的走向，增加管道運(yùn)行的穩(wěn)定性。從標(biāo)高30.400 m至62.939 m立管段，原設(shè)計(jì)連續(xù)布置了4組恒力吊架，考慮改變一組為剛性吊架。

(3)減少恒力吊架的配置。恒力吊架因其自身構(gòu)造和制造工藝的關(guān)系，不可避免地存在荷載離差，GB/T 17116.1規(guī)定，在恒力吊架上下位移的整個(gè)行程范圍內(nèi)荷載離差不大于6%。有研究表明，對(duì)于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)或質(zhì)量較差的恒力吊架，其荷載離差達(dá)15%～20%，而恒力吊架荷載離差增大會(huì)造成管系垂直向上熱位移減小，管系熱態(tài)整體發(fā)生相對(duì)向下的“下沉”現(xiàn)象，管系局部一次應(yīng)力明顯增高[5]。可以考慮將剛性吊架附近的恒力吊架更換為合適的變力彈簧吊架。

(4)盡量減少或不改變?cè)械觞c(diǎn)位置。已投入運(yùn)行的管道，支吊架安裝空間和生根位置所在的承載結(jié)構(gòu)或輔助鋼結(jié)構(gòu)均已很難改變，改變吊點(diǎn)位置會(huì)增加資金和時(shí)間的投入。

經(jīng)過(guò)對(duì)管道支吊架配置反復(fù)嘗試和應(yīng)力計(jì)算，最后在原有吊點(diǎn)基礎(chǔ)上制定了支吊架配置改造方案見(jiàn)圖3。利用CAESARⅡ軟件進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，改造前后主蒸汽管道最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，端點(diǎn)推力見(jiàn)表4，端點(diǎn)推力矩見(jiàn)表5。

圖3　蒸汽管道及改造后的支吊架系統(tǒng)布置示意

應(yīng)力類(lèi)型管系狀態(tài)最大值/MPa許用應(yīng)力/MPa計(jì)算值/許用值/%一次原設(shè)計(jì)37.7195.7439.39應(yīng)力改造后44.6895.7446.67二次原設(shè)計(jì)82.89255.4232.45應(yīng)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剛性吊架后，管系應(yīng)力水平與原設(shè)計(jì)基本一致，一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)力大小均在合理范圍之內(nèi)。

表4　管道端點(diǎn)推力

表5　管道端點(diǎn)推力矩

由表4和表5可知，改造后的端點(diǎn)推力和推力矩與原設(shè)計(jì)處于同一大小水平，滿(mǎn)足設(shè)備接口要求。依據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出各吊點(diǎn)的安裝載荷、工作載荷以及熱位移參數(shù)，對(duì)支吊架進(jìn)行了相應(yīng)的更換和調(diào)整。支吊架經(jīng)更換及調(diào)整后，冷、熱態(tài)下各支吊架工作狀態(tài)正常，管道熱膨脹與改造后的設(shè)計(jì)值符合，表明新的支吊架配置徹底解決了原設(shè)計(jì)支吊架載荷與管道重量嚴(yán)重不符的問(wèn)題。

3　結(jié)論

(1)大口徑高溫高壓管道整體下沉將導(dǎo)致大量支吊架狀態(tài)異常，改變管系受力和支吊架的承載分配，使得管系應(yīng)力增大，嚴(yán)重影響安全運(yùn)行。

(2)針對(duì)大口徑高溫高壓管道出現(xiàn)大面積支吊架狀態(tài)異常的情況，不能僅通過(guò)調(diào)整管道支吊架解決問(wèn)題，而應(yīng)該針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)校核原始設(shè)計(jì)參數(shù)和應(yīng)力計(jì)算等手段確定其產(chǎn)生的原因。

(3)重新對(duì)支吊架設(shè)計(jì)配置進(jìn)行優(yōu)化改造，可以盡量在不改變?cè)械觞c(diǎn)位置的情況下，維持一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、端點(diǎn)推力和推力矩大小，通過(guò)合理地配置剛性支吊架和減少恒力吊架，確保能夠滿(mǎn)足機(jī)組正常、安全運(yùn)行的要求。

[1]林其略，周美芳.管道支吊技術(shù)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1994.

[2]郭宗華，安付立，陳盛廣，等.主蒸汽管道支吊架優(yōu)化調(diào)整[J].工程技術(shù)，2009,32:78-80.

[3]李慶釗，馬崇，杜箏，等.管道應(yīng)力分析及失效支吊架調(diào)整對(duì)策[J].華北電力技術(shù)，2008(7)：9-11.

[4]DL/T 5366—2006火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[5]康豫軍，姚軍武. 恒力吊架荷載離差對(duì)管系熱位移影響的研究[J].熱力發(fā)電，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，碩士，安徽蕪湖人，西安熱工研究院有限公司電站材料部工程師，主要從事電廠(chǎng)汽水管道支吊架優(yōu)化調(diào)整、管道振動(dòng)分析與控制、管道狀態(tài)監(jiān)測(cè)等研究。

2015-08-14)