超超臨界機(jī)組主蒸汽管道下沉原因分析及管系優(yōu)化

蘇州熱工研究院有限公司 陳 騁 張鄭磊 河北蔚州能源綜合開發(fā)有限公司 耿 嚴(yán)

1 引言

支吊架是熱力管道系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，對(duì)熱力管道系統(tǒng)起著支撐管道重量、平衡介質(zhì)反力、控制管道對(duì)連接設(shè)備的推力和力矩、防止管道振動(dòng)和限制管道位移等作用[1]。隨著機(jī)組容量的增加，熱力管道系統(tǒng)也愈加復(fù)雜，對(duì)管道支吊架也提出了更高的要求[2]。蒸汽管道系統(tǒng)中，支吊架的運(yùn)行狀態(tài)正確與否是影響管道安全的重要因素。支吊架的失效會(huì)導(dǎo)致管道偏離原有的設(shè)計(jì)狀態(tài)，對(duì)管道系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備造成重大安全隱患，進(jìn)而影響機(jī)組的安全可靠運(yùn)行[3]。

對(duì)某超超臨界機(jī)組管道支吊架進(jìn)行熱態(tài)目視勘查時(shí)，發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道爐右側(cè)（鍋爐3層至5層）#26、#28、#29、#30及# 31等連續(xù)5組恒力彈簧吊架的位移指針，均卡死于下極限。初步判斷，主蒸汽管道在該管段下沉現(xiàn)象，如圖1所示。通過開展管道支吊架詳細(xì)檢查、管道各點(diǎn)標(biāo)高實(shí)測(cè)、支吊架運(yùn)行狀態(tài)在投運(yùn)前與投運(yùn)三年后冷、熱態(tài)詳細(xì)對(duì)比等工作，確定主蒸汽管道爐右側(cè)管段下沉量最大為520mm。

圖1 主蒸汽管道布置

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查、恒力彈簧吊架性能測(cè)試、管件參數(shù)測(cè)量、管系有限元分析校核計(jì)算、分析等結(jié)果，對(duì)主汽管系下沉原因進(jìn)行了分析，并制定了該管段下沉的優(yōu)化整改方案。整改后，通過現(xiàn)場(chǎng)冷、熱態(tài)檢驗(yàn)，主蒸汽爐右側(cè)管道的膨脹情況與支吊架運(yùn)行狀態(tài)良好。

2 主蒸汽管道下沉原因分析

通常，引起管道下沉的常見原因主要有以下幾個(gè)方面，設(shè)計(jì)原因、安裝原因、運(yùn)行后的非正常工況原因以及產(chǎn)品質(zhì)量原因[4]。

2.1 主汽管道應(yīng)力校核計(jì)算

應(yīng)力校核計(jì)算采用的有限元軟件為Caesar II[5]。經(jīng)過應(yīng)力校核計(jì)算，主蒸汽管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力均在規(guī)程要求的允許范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的各支吊架處于正常工作狀態(tài)，其一次、二次應(yīng)力均能滿足管道安全運(yùn)行的要求，整個(gè)管系應(yīng)力合格。其中，主蒸汽管道#26、#28、#29、#30與# 31恒力彈簧吊架的校核計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一致。

2.2 主汽管道與支吊架基建安裝記錄檢查

對(duì)主蒸汽管道與支吊架安裝記錄進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示支吊架的安裝形式、安裝位置、偏裝量等均滿足設(shè)計(jì)要求；管道的規(guī)格、型號(hào)、材質(zhì)、表面檢查、標(biāo)高偏差、水平管道彎曲度、管道坡度與立管垂直度等均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

現(xiàn)場(chǎng)管道各點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，除#24至#33吊架所在下沉管段外，其余管道安裝標(biāo)高符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求（±15mm）。

2.3 投產(chǎn)后機(jī)組運(yùn)行情況檢查

經(jīng)運(yùn)行人員反饋，機(jī)組投運(yùn)至今，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好，無(wú)大的地震發(fā)生，未發(fā)生劇烈的振動(dòng)與沖擊；現(xiàn)場(chǎng)檢查未發(fā)現(xiàn)管道劇烈振動(dòng)后留下的滑動(dòng)或撞擊等痕跡，排除了管道遭受到過劇烈沖擊（汽、水沖擊）的可能。

2.4 恒力彈簧吊架載荷性能測(cè)試結(jié)果與分析

電測(cè)法的基本原理是用電阻應(yīng)變片測(cè)定構(gòu)件表面的線應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種試驗(yàn)應(yīng)力分析方法。這種方法是將電阻應(yīng)變片黏貼的被測(cè)構(gòu)件表面，當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，電阻應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，然后通過電阻應(yīng)變儀將此電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）的變化，再換算成應(yīng)變值或者輸出與此應(yīng)變成正比的電壓（或電流）的信號(hào)，由記錄儀進(jìn)行記錄，就可得到所測(cè)定的應(yīng)變或應(yīng)力。

本次測(cè)試對(duì)主蒸汽管道恒力彈簧吊架載荷情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，組成全橋測(cè)試通，采樣頻率為10Hz，分析頻率為3.91Hz，連續(xù)采樣方式。恒力彈簧吊架載荷測(cè)試目標(biāo)主要為兩個(gè)：力支吊架的荷載偏差值不大于5%；恒力彈簧吊架上下位移的整個(gè)行程范圍內(nèi)的荷載離差應(yīng)不大于6%。

系統(tǒng)主要由表面式電阻應(yīng)變計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀與計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)組成，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況

對(duì)于支吊架，考慮到圣維南原理，電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)位置選擇在距離吊桿中部的名義應(yīng)變處，并選擇全橋布置形式，提高測(cè)試精度，如圖3所示。

圖3 傳感器全橋布置方法

主蒸汽管道恒力彈簧吊架整定位置的荷載測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 主蒸汽管道恒力彈簧吊架荷載偏差測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示，各組恒力彈簧吊架荷載偏差度均超過5%，下沉管段的#26、#28、#29、#30、#31、#32與# 33恒力彈簧吊架的實(shí)測(cè)整定載荷比設(shè)計(jì)整定載荷小了146645N。恒力彈簧吊架的載荷不隨吊點(diǎn)處管道垂直位移的變化而變化，載荷基本保持恒定，對(duì)管道向下/上的冷/熱位移沒有約束作用，自限性差。在連續(xù)分布多組恒力彈簧吊架的管段，吊架的性能要求嚴(yán)格，一旦大噸位吊架或多組吊架性能無(wú)法滿足設(shè)計(jì)載荷需求，易引發(fā)管道下沉。主汽管道#26、#28、#29、#30、#31、#32與# 33恒力彈簧吊架為連續(xù)分布的恒力彈簧吊架，吊架實(shí)測(cè)整定載荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)整定載荷。

根據(jù)管道應(yīng)力校核計(jì)算、基建安裝檢查、機(jī)組運(yùn)行狀況核實(shí)、管道尺寸測(cè)量與支吊架外觀檢查、吊架載荷性能測(cè)試等結(jié)果，可以得到結(jié)論該管段兩個(gè)剛性吊架之間的恒力彈簧吊架存在質(zhì)量缺陷，吊架性能不滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致該管段發(fā)生了不止一次的下沉。吊架的質(zhì)量缺陷是造成主蒸汽管道下沉的主要原因。

3 主蒸汽管道下沉整改與管系優(yōu)化

3.1 主蒸汽管道應(yīng)力釋放

主蒸汽管道爐右側(cè)管道的沉降量過大，已經(jīng)無(wú)法通過調(diào)整支吊架或簡(jiǎn)單的拉升管道來(lái)解決隱患，因此需要通過對(duì)管道切割，釋放管道應(yīng)力，重新調(diào)整管道坡度，并對(duì)更換的支吊架裝置進(jìn)行調(diào)整，消除各個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力超標(biāo)隱患，確保管系應(yīng)力水平恢復(fù)到合理狀態(tài)

在#24吊架和#30吊架附近彎頭焊縫處分別將主汽管道切開，消除區(qū)間內(nèi)管道各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象。切口A 位于#30立管恒力彈簧吊架下游的彎管與直管連接焊縫處，切口B 位于#24恒力彈簧吊架上游的彎頭與直管連接焊縫處，如圖4所示。

圖4 主汽管道切口位置

3.2 恒力吊架載荷精確調(diào)整

管道切開后，#30、#31、#32與#33恒力彈簧吊架（切管前這幾組吊架已經(jīng)鎖定變?yōu)閯傂缘跫埽┧诠芏蔚倪吔鐥l件發(fā)生了變化，附加應(yīng)力得到釋放，管道應(yīng)力重新分布。原設(shè)計(jì)荷載已不能作為調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)該段管道進(jìn)行有限元計(jì)算，得到切管后各個(gè)吊點(diǎn)的理論載荷，以此進(jìn)行吊架載荷調(diào)整進(jìn)一步消除管道附加應(yīng)力。

利用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的載荷測(cè)試手段，通過調(diào)節(jié)吊桿花籃螺絲的方式進(jìn)行“人工加載”，調(diào)整各個(gè)吊架實(shí)測(cè)載荷結(jié)果見表2。

表2 “人工加載”實(shí)測(cè)載荷結(jié)果

3.3 調(diào)整管道坡度

對(duì)#30、#31、#32及#33吊架進(jìn)行人工加載后，將切口A 上部管道切除80mm，使切口A 上下管道斷面自由對(duì)接。主蒸汽管道支吊架系統(tǒng)性調(diào)整后，對(duì)#26、#28與#29恒力彈簧吊架所在水平管道坡度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為15.7‰（設(shè)計(jì)坡度為15‰），#32與#33恒力彈簧吊架所在水平坡度測(cè)量結(jié)果為8.4‰（設(shè)計(jì)坡度為8‰）。

4 優(yōu)化后主蒸汽管道運(yùn)行狀態(tài)

機(jī)組運(yùn)行后，主蒸汽爐右側(cè)管道的各組支吊架運(yùn)行正常，管道膨脹合理，各個(gè)吊點(diǎn)的熱位移基本恢復(fù)到原設(shè)計(jì)80%。

5 結(jié)語(yǔ)

管道下沉?xí)?dǎo)致管道偏離設(shè)計(jì)需求，引起管系應(yīng)力分布不合理，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查的結(jié)果、有限元數(shù)值分析、恒力彈簧吊架性能測(cè)試結(jié)果以及對(duì)其他運(yùn)行機(jī)組管道支吊架調(diào)整項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)管系的系統(tǒng)分析，提出如下建議。隨著機(jī)組容量和參數(shù)的提高，更多管道設(shè)計(jì)會(huì)采用恒力彈簧吊架承受管道自重荷載，同時(shí)承擔(dān)大位移的熱膨脹，這對(duì)支吊架的質(zhì)量要求越來(lái)越高。現(xiàn)場(chǎng)吊架性能測(cè)試結(jié)果不合格率很高，建議擴(kuò)大測(cè)試范圍，盡快更換不合格支吊架，確保管系應(yīng)力分布合理；機(jī)組正常運(yùn)行期間，電廠運(yùn)行人員在巡檢過程中應(yīng)對(duì)管道支吊架給予足夠重視，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)匯報(bào)并采取有效措施。