9F燃機余熱鍋爐蒸汽管道支吊架狀態(tài)診斷及有限元分析

郭賚佳，趙明華，李 俊，谷樹超，段 鵬

(1.上海漕涇熱電有限責(zé)任公司，上海 201507； 2.上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

電廠汽水管道支吊架的作用是承受管道重力、承受偶然的沖擊載荷以及控制管道在工作狀態(tài)下的位移和振動。隨著機組運行時間的累積，管道支吊架狀態(tài)會出現(xiàn)變化，一旦支吊架部分或全部喪失其功能，管道承載和約束條件將發(fā)生變化，管道位移和應(yīng)力分布將偏離設(shè)計狀態(tài)，管道應(yīng)力峰值增高，局部可能超過管材許用應(yīng)力，加快高溫管道的高應(yīng)力蠕變損傷，縮短管道應(yīng)有的使用壽命[1-2]。

近年來，電廠承壓管道等部件安全事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人身安全及經(jīng)濟指標(biāo)[3-4]。再者，上海的地理環(huán)境導(dǎo)致其境內(nèi)電廠設(shè)施極易受到臺風(fēng)等惡劣天氣影響，尤其是暴露的熱力管道支吊架系統(tǒng)更容易受到?jīng)_擊而失效，嚴(yán)重影響熱力管道的安全性及牢固性。因此，如何降低和避免因支吊架失效導(dǎo)致管道安全隱患，如何建立并不斷完善一整套符合機組實際運維情況的設(shè)備管理和檢修方法，使機組始終保持最安全、最經(jīng)濟、最可靠的運行狀態(tài)，從而增加管道運行的穩(wěn)定性和安全性，是電廠安全生產(chǎn)的重要組成部分，也是電廠技術(shù)監(jiān)督的重點[5]。

為此，本文以9F級熱電聯(lián)供型機組一系列熱力管道支吊架為載體，通過其熱態(tài)、冷態(tài)檢驗及調(diào)整，以求解決管道支吊架在運行過程中出現(xiàn)的問題，消除機組運行中存在的安全隱患。同時，基于管道在高溫狀態(tài)下的溫度與機械應(yīng)力分析，通過系列模擬試驗，研究不同位置、不同節(jié)點的管道應(yīng)力分布狀態(tài)，形成合理有效的管道在線檢測技術(shù)方法及評判準(zhǔn)則，從而指導(dǎo)管道的日常檢修和維護工作。

表1 各管道運行參數(shù)及材料、規(guī)格

表2 各管道支吊架類型及數(shù)量

1 設(shè)備概況

本文研究對象為上?；瘜W(xué)工業(yè)園區(qū)GE9FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐范圍內(nèi)高溫高壓蒸汽管道。

該余熱鍋爐型號DINO-6772，制造單位為美國德爾塔公司(DELTAK)，最大連續(xù)蒸發(fā)量362 t·h-1，過熱蒸汽壓力10.25 MPa，過熱蒸汽溫度539.5 ℃，循環(huán)方式為自然循環(huán)，給水壓力14 MPa，水處理方式RO-H-OH-H/OH。截至2020年12月底，該機組已運行約88 632折算燃燒小時，近3年機組年度運行約7 000燃燒小時，年度平均啟停次數(shù)為8次，機組平均運行負(fù)荷率為85%～90%。

本研究管道分別為高、中壓蒸汽管道，高、中壓旁路管道及高、中壓供熱管道等，各管道運行參數(shù)及材料、規(guī)格如表1所示。

2 管道支吊架匯總及軸向圖

由西北電力設(shè)計院編制的《火力發(fā)電廠汽水管道支吊架手冊》和華東電力設(shè)計院編制的《發(fā)電廠汽水管道支吊架設(shè)計手冊D-ZD2010》是國內(nèi)電廠支吊架設(shè)計、安裝的重要依據(jù)，廣泛應(yīng)用于各等級火電機組。

然而，由于本研究管道支吊架系統(tǒng)跟隨余熱鍋爐一同設(shè)計，這給日常管理和維修帶來一定不便，為實現(xiàn)對各類高壓蒸汽管道支吊架針對性、精細(xì)化的分類分級管理，掌握各汽水管道支吊架的功能、類型及安裝位置，首先按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6]對各支吊架總數(shù)及類型進行了匯總，如表2所示，并繪制了各汽水管道軸向圖及支吊架安裝位置布置圖。

3 主要問題概況

對蒸汽管道支吊架進行熱態(tài)及冷態(tài)檢查，并結(jié)合管道應(yīng)力計算，發(fā)現(xiàn)需要整改的支吊架共有17處，其中高、中壓主蒸汽管道3處，高、中壓旁路管道2處，高、中壓抽汽管道4處，供熱管道系統(tǒng)5處，高壓給水管道3處。發(fā)現(xiàn)的主要問題有：滑動支架脫空失載失效、彈簧吊架欠載或過載、恒力吊架位移上下限位卡死、吊架的吊桿彎曲失載、限位支架失效、吊架結(jié)構(gòu)不合理、吊架螺絲擰緊長度不夠、鎖緊螺母未擰緊或松脫等。從檢查的結(jié)果來看，機組蒸汽管道支吊架總體運行情況比較理想，但是仍存在著不少問題，影響了支吊架的載荷分布和管系熱位移。對上述異常的支吊架在冷態(tài)進行了調(diào)整，并在熱態(tài)對其調(diào)整的合理性進行了復(fù)檢驗證，確保了管系的冷/熱荷載分布和熱膨脹滿足設(shè)計要求，達(dá)到管系長期、安全和經(jīng)濟運行的目的。

4 有限元分析

基于有限元理論，利用支吊架管系應(yīng)力專用分析系統(tǒng)CAESARⅡ以及ANSYS結(jié)構(gòu)應(yīng)力模擬軟件，對中高壓蒸汽管道(高壓主蒸汽管道、高壓旁路管道、高壓抽氣管道及高壓供熱管道)的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和運行應(yīng)力進行計算分析。計算中忽略了主管道上的疏水、減溫水等小口徑管道對主管道的影響，閘閥、截止閥、調(diào)節(jié)閥等作為剛性管件均進行了相應(yīng)處理或簡化，三通均采用焊接三通進行計算。

模擬計算結(jié)果表明：高壓蒸汽管道最大一次應(yīng)力位于高壓供熱A路與B路連接的第二個三通處，應(yīng)力值為58.8 MPa，在設(shè)計溫度330 ℃下標(biāo)準(zhǔn)許用一次應(yīng)力為121.3 MPa，計算應(yīng)力與許用應(yīng)力之比為48.5%；最大二次應(yīng)力位于高壓主蒸管道阻尼器處，應(yīng)力值為83.7 MPa，標(biāo)準(zhǔn)許用二次應(yīng)力為306.5 MPa，計算應(yīng)力與許用應(yīng)力之比為30.6%；運行應(yīng)力較大位置主要分布在管道三通、彎頭與高壓主蒸汽部分直管段，其中最大值位于高壓主蒸管道阻尼器處，應(yīng)力值為104.7 MPa。

由應(yīng)力計算結(jié)果可知，高壓主蒸汽管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料許用應(yīng)力，且有一定的安全余量，均能滿足管道正常、安全運行的要求，管系應(yīng)力合格。管道的三通、彎頭與高壓主蒸汽部分直管段等應(yīng)力較大部位，都應(yīng)作為檢修時重點監(jiān)督和檢查的部位。

5 結(jié)語

按設(shè)備分類分級管理要求，繪制了各汽水管道軸向圖，并完成了各支吊架系統(tǒng)的狀態(tài)診斷。經(jīng)過熱態(tài)及冷態(tài)檢查，并結(jié)合管道應(yīng)力計算，機組管道支吊架總體設(shè)計和安裝還是比較理想，但是仍存在著不少問題，共發(fā)現(xiàn)需要整改的支吊架有17處，其中高、中壓主蒸汽管道3處，高、中壓旁路管道2處，高、中壓抽汽管道4處，供熱管道系統(tǒng)5處，高壓給水管道3處，通過對上述問題進行調(diào)整試驗，使其達(dá)到良好的服役狀態(tài)，以保障管系處于合理的應(yīng)力水平。

基于有限元理論，利用支吊架管系應(yīng)力專用分析系統(tǒng)CAESARⅡ以及ANSYS結(jié)構(gòu)應(yīng)力模擬軟件，對高壓蒸汽管道機械應(yīng)力進行仿真分析，計算得到了不同位置、不同節(jié)點的管道一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和運行應(yīng)力的分布狀態(tài)，以合理有效指導(dǎo)管道后期在線檢測及其安全性評價。