風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)在管道支吊架檢驗(yàn)與調(diào)整中的應(yīng)用

馮亦武

摘? 要：文章針對(duì)常規(guī)的支吊架檢驗(yàn)與調(diào)整提出了一種全新的技術(shù)方案，該技術(shù)是利用模擬分析軟件計(jì)算設(shè)計(jì)工況管道狀態(tài)參數(shù)值，結(jié)合在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析運(yùn)行中的管道系統(tǒng)狀態(tài)采集數(shù)據(jù)，對(duì)標(biāo)開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)分析，找出危險(xiǎn)點(diǎn)，有針對(duì)性的開(kāi)展檢修工作。該技術(shù)解決了支吊架檢驗(yàn)過(guò)程中的過(guò)量檢修、檢修不足、檢修無(wú)針對(duì)性等問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)高效，且為電力行業(yè)提供了一套高溫金屬管道狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：管道監(jiān)測(cè);風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;應(yīng)力檢測(cè);支吊架檢驗(yàn)

Abstract： This paper puts forward a new technical scheme for the inspection and adjustment of conventional supports and hangers， which uses the simulation analysis software to calculate the pipeline state parameters under the design conditions. Based on the on-line condition monitoring system， this paper analyzes the pipeline system state collection data in operation， carries out risk analysis to the standard， finds out dangerous points， and carries out targeted maintenance work. This technology solves the problems of excessive maintenance， insufficient maintenance and lack of pertinence in the inspection process of supports and hangers， so it is economical and efficient， and provides a set of real-time monitoring system for the state of high-temperature metal pipelines for the power industry， which has a strong value of popularization.

引言

管道支吊架是管道的承載部件，起著承擔(dān)管道及其介質(zhì)重量、承受管道排汽反力、約束和限制管道不合理位移以及控制管道振動(dòng)等功能，對(duì)管道的安全運(yùn)行具有極其重要的作用。對(duì)于火力發(fā)電廠的高溫蒸汽管道而言，由于其工作溫度和壓力均很高，一旦發(fā)生爆漏事故，后果不堪設(shè)想，因而對(duì)其運(yùn)行的安全性具有極高的要求。機(jī)組投運(yùn)后，管道材料、管道附件與焊口狀態(tài)均已確定，對(duì)管道應(yīng)力、壽命及運(yùn)行安全性產(chǎn)生影響的直接因素就是支吊架的工作狀態(tài)和介質(zhì)的參數(shù)。因此，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL 647 《電站鍋爐壓力容器檢驗(yàn)規(guī)程》、DL/T438《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》、DL/T616《火力發(fā)電廠汽水管道支吊架調(diào)整導(dǎo)則》均對(duì)火力發(fā)電廠高溫蒸汽管道支吊架的檢驗(yàn)與調(diào)整工作做出了具體規(guī)定，要求機(jī)組首次大修時(shí)即對(duì)管道支吊架進(jìn)行檢驗(yàn)與調(diào)整。

目前需定期進(jìn)行管道及支吊架調(diào)整，并且管道普查、支吊架更換與調(diào)整、管道改造工作難度大，支吊架檢查調(diào)整缺少科學(xué)的評(píng)價(jià)依據(jù)，且沒(méi)有針對(duì)性。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也稱為危害評(píng)價(jià)或安全評(píng)價(jià)，是對(duì)系統(tǒng)存在的安全性進(jìn)行定性和定量分析，依據(jù)現(xiàn)存的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)危害進(jìn)行分析以得出系統(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性及其后果嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)，通過(guò)評(píng)價(jià)尋求最低事故率、最少的損失和最優(yōu)的安全投資效益。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)類型分析、應(yīng)力分析、在線監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)分析為一體的綜合分析技術(shù)。通過(guò)管道位移、振動(dòng)、應(yīng)力、載荷等參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)督，判斷不同工況下數(shù)據(jù)的異常，及時(shí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)和警示，為電廠的高溫蒸汽管道的安全保駕護(hù)航。

1.1 風(fēng)險(xiǎn)類型分析

支吊架的故障類型有吊架損壞、吊桿脫落、恒力吊架卡死、吊桿偏斜角度超標(biāo)、導(dǎo)向支架安裝錯(cuò)誤、滑動(dòng)脫空、橫擔(dān)傾斜、鎖緊螺母未鎖緊等。管道的故障類型主要有開(kāi)裂、變形、泄漏、振動(dòng)以及熱位移過(guò)大等。

火力發(fā)電廠管道及支吊架產(chǎn)生失效的原因較復(fù)雜，本質(zhì)上講主要是由于應(yīng)力的原因，主要包括：

（1）管道振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力。

（2）溫度變化引起的交變應(yīng)力。

（3）高溫高壓環(huán)境下的正應(yīng)力和環(huán)向切應(yīng)力。

（4）彎頭、焊口部位的應(yīng)力集中。

（5）管道內(nèi)外壁溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

1.2 應(yīng)力分析

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)要求根據(jù)管道及支吊架的狀態(tài)，以及系統(tǒng)檢測(cè)到的應(yīng)力情況，評(píng)斷管道及支吊架的失效風(fēng)險(xiǎn)。

首先明確待分析的管道及支吊架范圍，進(jìn)行信息收集：

（1）管道設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和運(yùn)行信息。同時(shí)進(jìn)行管道三維建模，為后續(xù)的應(yīng)力分析做好準(zhǔn)備。

（2）設(shè)備故障信息。將歷史上該管道發(fā)生的失效風(fēng)險(xiǎn)事故進(jìn)行存儲(chǔ)，并列舉其產(chǎn)生原因，作為后續(xù)事故發(fā)生概率的依據(jù)。

（3）設(shè)備的維修信息。對(duì)于發(fā)生過(guò)維修、更換、熱處理等操作的部件，需要將這些信息輸入系統(tǒng)，并及時(shí)更新模型參數(shù)，以便計(jì)算出的應(yīng)力符合實(shí)際情況。

（4）其他電廠同類管道及支吊架發(fā)生失效事故的情況，作為失效分析的參考依據(jù)。

收集信息后，建立模型，利用應(yīng)力分析軟件進(jìn)行關(guān)系受力、位移、振動(dòng)以及載荷分析;從而核對(duì)支吊架選型及管道設(shè)計(jì)的合理性。

1.3 在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析

參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值的幅度決定了風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的程度，因此需要建立參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤管系狀態(tài)。具體系統(tǒng)圖1所示。

圖中，1為蒸汽管道，2為前端蒸汽管道外壁溫度傳感器，3為前端蒸汽管道X向應(yīng)變傳感器，4為前端蒸汽管道Y向應(yīng)變傳感器，5為剛性吊架，6為剛性吊架應(yīng)變傳感器，7為前端蒸汽壓力傳感器，8為雙拉桿恒力彈簧支吊架，9為雙拉桿恒力彈簧支吊架位移傳感器，10為后端蒸汽管道X向應(yīng)變傳感器，11為后端蒸汽管道Y向應(yīng)變傳感器，12為后端蒸汽管道外壁溫度傳感器，13為后端蒸汽壓力傳感器，14為彈簧支架Z向位移傳感器，15為彈簧支架位置管道X向位移傳感器，16為彈簧支架位置管道Y向位移傳感器，17為彈簧支架1，18為蒸汽管道彎頭處外壁溫度傳感器，19為蒸汽管道彎頭處X向應(yīng)變傳感器，20為蒸汽管道彎頭處Y向應(yīng)變傳感器，21為導(dǎo)向支架，22為導(dǎo)向支架X向位移傳感器，23為蒸汽溫度傳感器，24為滑動(dòng)支架，25為滑動(dòng)支架X向位移傳感器，26為滑動(dòng)支架Y向位移傳感器，27為控制器及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，28為加速度傳感器。

采集數(shù)據(jù)之后，所有數(shù)據(jù)均要在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，最后由系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并展示在電腦界面上，方便運(yùn)行人員隨時(shí)查看。系統(tǒng)軟件界面如圖2所示。

評(píng)估系統(tǒng)可以進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，包含各個(gè)監(jiān)測(cè)值的報(bào)警限值，采集頻率和計(jì)算頻率。在首界面上顯示嚴(yán)重報(bào)警的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。同時(shí)可以進(jìn)入專項(xiàng)頁(yè)面，顯示支吊架載荷、應(yīng)力、位移等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及趨勢(shì)曲線圖。

2 技術(shù)應(yīng)用

某電廠1號(hào)鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HG1900/25.4-WM10型超臨界鍋爐，單爐膛、一次中間再熱、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)∏型布置，設(shè)計(jì)燃料為無(wú)煙煤，采用雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，在前后拱上布置直流狹縫式燃燒器，采用“W”型火焰燃燒方式。BMCR工況下，主蒸汽流量1900t/h，過(guò)熱蒸汽出口壓力25.4MPa，過(guò)熱蒸汽出口溫度576℃，再熱蒸汽出口壓力5.33MPa，再熱蒸汽出口溫度574℃，給水溫度284℃。主蒸汽管道設(shè)計(jì)材質(zhì)P91。

利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)對(duì)主蒸汽管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)類型分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查，初步判斷該廠主蒸汽管道可能發(fā)生的故障類型為，振動(dòng)過(guò)大、交變應(yīng)力過(guò)大、內(nèi)應(yīng)力及正應(yīng)力過(guò)大、內(nèi)外溫差過(guò)大、支吊架損壞、管道局部泄漏或滲水。對(duì)該六類故障進(jìn)行編號(hào)X1、X2、X3、X4、X5、X6。這六大故障存儲(chǔ)在軟件系統(tǒng)內(nèi)部，根據(jù)各相關(guān)的變量狀態(tài)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，提示運(yùn)行人員系統(tǒng)存在何種失效風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 應(yīng)力分析

（1）收集主蒸汽管道信息。主蒸汽管材為A335P91，規(guī)格分別為OD540×80、OD575.1×84、OD609.6×100、ID445×81、ID318×57，設(shè)計(jì)工作溫度為576℃，設(shè)計(jì)工作壓力為25.4MPa。

（2）根據(jù)收集到的圖紙，進(jìn)行建模，考慮到?jīng)]有進(jìn)行過(guò)管道本體的維修及管道更換，因此按照設(shè)計(jì)圖紙建模。主蒸汽管道三維模型圖如圖3所示。

（3）仿真計(jì)算

模型建立之后，需要賦予模型材料特性，并加上力載荷和溫度載荷;同時(shí)還需要通過(guò)資料收集確定了應(yīng)力分析所需要的各種參數(shù)，確定其取值。

主蒸汽管應(yīng)力分析參數(shù)取值如表1所示，材料為A335P91，設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為576℃，設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力25.4MPa。

確定參數(shù)后，利用CAESAR II軟件分析計(jì)算，得到管道最大應(yīng)力及其所在位置，便于后續(xù)應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)參考限值的確定以及應(yīng)力檢測(cè)傳感器位置確立，在圖3中已標(biāo)注。本次計(jì)算結(jié)果如表2所示，分別計(jì)算出一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，作為不同工況時(shí)的監(jiān)測(cè)比較值。

根據(jù)CAESAR II軟件分析，得到最大熱位移數(shù)值及支吊架最大載荷，分析得到四個(gè)阻尼器的受力設(shè)計(jì)值分別為168976N、173717N、176474N、166969N。

2.3 在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析

主蒸汽管道熱態(tài)位移較大的5個(gè)位置設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值比較。（表3）

實(shí)測(cè)四個(gè)阻尼器受理結(jié)果分別為221064N、221068N、206186N、216519N。（表4）

從以上分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得知，在管系中各支吊架處于正常狀態(tài)下，其一、二次應(yīng)力均能滿足管道安全運(yùn)行要求，管道應(yīng)力合格。但實(shí)際上管道的阻尼器受力及管道關(guān)健節(jié)點(diǎn)熱態(tài)位移均偏離設(shè)計(jì)值。

根據(jù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得出故障類型X1、X2、X3、X4、X5、X6風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（按照高中低三個(gè)超限預(yù)警值計(jì)算而來(lái)）。

2.4 支吊架檢驗(yàn)與調(diào)整

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)提示，開(kāi)展針對(duì)性的支吊架檢查。檢查結(jié)果如表5所示。

針對(duì)故障情況，開(kāi)展調(diào)整工作。調(diào)整項(xiàng)如表6所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)是針對(duì)高溫蒸汽管道進(jìn)行潛在故障類型進(jìn)行分類，收集資料建立模型開(kāi)展正常工作工況下應(yīng)力、振動(dòng)及熱位移分析，再結(jié)合在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析運(yùn)行中的管道系統(tǒng)狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警點(diǎn)，然后開(kāi)展有針對(duì)性的支吊架檢驗(yàn)與調(diào)整工作。這一技術(shù)解決了支吊架檢驗(yàn)過(guò)程中的過(guò)量檢修、檢修不足、檢修無(wú)針對(duì)性等問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)高效，且為電力行業(yè)提供了一套高溫金屬管道狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。

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