摘 要:基于火電廠汽水管道熱脹位移異常的重要危害,總結了以往相關項目的原因分析及處 理經驗,歸納了可能影響熱脹位移異常的主要因素;并結合管道應力計算分析進行了全面的危害性 評估,建立了完整的汽水管道熱脹位移異常評估及處理流程;最后進行了典型案例分析,為以后類 似故障的處理提供參考.案例分析結果顯示:管道支吊架實際工作載荷與實際需求載荷偏差較大, 是引起大部分管道熱脹位移異常的主要原因.

關鍵詞:汽水管道;熱脹位移;異常;支吊架;載荷偏差

中圖分類號:TM６２１．４ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０４Ｇ０２５６Ｇ０６

火電廠汽水管道是傳輸汽水介質的重要組成 部分,尤其是作為火力發電廠輸送高溫、高壓介質 的汽水管 道,其 安 全 性 對 整 個 電 廠 至 關 重 要.由 于金屬材料 所 固 有 的 熱 脹 冷 縮 特 性,汽 水 介 質 管 道在運行狀 態 下 會 產 生 一 定 的 熱 膨 脹 量,宏 觀 上 表現為 管 道 的 熱 脹 位 移. 在 進 行 管 道 布 置 設 計 時,為避免管道內部應力超標,一般會通過嚴格的 計算后布置合適的彈簧(含恒力彈簧)支吊架以及彎頭(或彎管)以補償管道的熱膨脹量.管道位移 異常將會導 致 一 系 列 的 嚴 重 危 害,筆 者 總 結 了 以 往相關項目 的 原 因 分 析 以 及 處 理 經 驗,建 立 了 汽 水管道熱脹 位 移 異 常 評 估 及 處 理 流 程,為 以 后 類 似故障的處理提供借鑒.

１ 管道熱脹位移異常的危害

管道熱脹位移異常對管道本身以及連接設備的 安全性都有著重要的影響,首先汽水管道熱脹位移 異常將導致管道正常熱脹位移狀態改變,對管道產 生不正常的約束,使管道的熱脹冷縮受到不合理的 限制,增加管道二次應力;管道位移異常還將導致吊點載荷重新分配,勢必使得局部管段吊點載荷增加, 從而提高相應管段的一次應力;管道應力水平升高可 能導致管道的直接破壞,也將直接影響管道的壽命, 為機組的長期安全運行埋下隱患.同時吊點載荷重 新分配后還可能導致部分支吊架過載或失載,甚至失 效,進一步改變支吊點的特性,從而加劇管道熱脹位 移異常的情況,形成惡性循環.管道熱脹位移異常對 管道安全性及壽命的影響過程如圖１所示.

在管道系統的設計計算中,還會考慮管道對設 備的推力和推力矩,并通過對管道的科學布置以及 相應支吊架選型的合理優化,使得管道在工作狀態 以及冷態下的端口推力和力矩最大值滿足設備安全 承受要求.汽水管道熱脹位移異常后將改變管道的 原始計算條件,使得管道系統實際運行狀態偏離管 道最佳設計計算狀態,從而增加管道端口對設備的 推力和推力矩[１],引起管道與設備連接的接口焊縫 產生裂紋、設備出現變形或非正常位移等情況.同 時設備的反作用力也會增加管道載荷,降低管道壽 命.管道熱脹位移異常對管道及其連接設備的影響 過程如圖２所示.

汽水管道的減振防振主要靠各型支吊架的固定 和緩振作用,管道熱脹位移異常導致吊點載荷重新 分配后可能使得部分支吊架欠載甚至完全失載,從 而部分或完全失去對該吊點處位移的合理約束和限 制作用,造成管道在流體的沖擊下出現失穩晃動;同 時如果部分支吊架完全失載會使得管道吊點間距加 大,降低管道固有頻率,這些都將導致管道更容易出 現振動情況[２].管道振動往往會引起一系列嚴重后 果,例如:引起管道過度疲勞損傷,尤其會使得與其 連接的小管道斷裂;管件自身損壞,焊縫出現裂紋; 將振動傳遞到管道連接設備或者其他靜止設備上, 危及熱力系統的安全運行[３];管道振動還容易導致 管道上的測量儀表出現數據偏差甚至錯誤[４].其危 害過程如圖３所示

由于設計、制造、安裝、運行階段的偏差,火電廠 汽水管道熱脹位移異常(或出現一定的偏差)也是一 種較為普遍的現象,但是由于管道熱脹位移異常帶 來的危害往往是一個緩慢累積的過程,不太容易引 起相關人員的注意,因而火電廠汽水管道熱脹位移 異常的情況往往被忽略,其危害性也往往被輕視,給 機組的安全運行帶來巨大的隱患.隨 著 機 組 容 量 和參數的不斷提高,管道規格尺寸也不斷增大,管 道上布置的 恒 力 吊 架 也 越 來 越 多,對 管 道 熱 脹 位 移異常情況的控 制 能 力 變 弱(承 重 支 吊 架 有 剛 性 吊架、變力彈簧吊架和恒力吊架３種.其中:剛性 吊架主要用于完全約束管系在吊點處垂直向下的位移;變力彈簧吊架承載力隨管道支、吊點處管道 垂直位移的 增 加 而 增 大;前 兩 種 類 型 的 吊 架 都 具 有一定的自 調 性,能 夠 在 一 定 的 范 圍 內 承 載 管 道 增加的重量;而 恒 力 吊 架 承 載 力 不 隨 吊 點 處 管 道 垂直位移的變化而變化,即荷載保持基本恒定,因 而恒力吊架不能額外增加載荷用以承擔增加的管 道重量,對 管 道 向 下 位 移 沒 有 任 何 約 束 作 用),因 而汽水管道熱脹位移異常的危害越來越明顯.因 此,開展火電 廠 汽 水 管 道 熱 脹 位 移 異 常 綜 合 評 估與治理技術 研 究,有 著 廣 泛 的 實 際 需 求 和 重 要 的 應用價值.

２ 管道熱脹位移異常原因分析

為更加系統細致地了解可能導致管道熱脹位移 異常的原因,全面梳理了火電廠汽水管道設計、制 造、安裝、運行等過程,并總結以往相關項目的經驗, 分析歸納了可能影響管道熱脹位移異常的主要因 素,如圖４所示.

管道支吊架是管道的主要承載部件,起著承擔 管道重量、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等功能,其中管道支吊架 從功能和用途方面可分為承重支吊架、限位支架和 防振支架３大類,不論采用何種承重支吊架,一條管 道上的所有承重支吊架的總工作載荷應與該管道的 有效載荷(含管道自重、介質重量、保溫層重量等)相 匹配,支吊架載荷偏小將導致支吊架無法承受管道 重量,造成管道不斷下沉[５];支吊架載荷過大也會導 致整條管道或是部分管段熱膨脹位移受阻,宏觀上 表現為 管 道 無 法 拉 動 吊 架,吊 架 冷、熱 態 指 示 不 變[６].無論出現上述哪種情況都將導致管道應力水 平提高,管道與設備連接端口的推力和推力矩增大, 嚴重時將危及管道的安全穩定運行.

管道實際重量與支吊架設計載荷不匹配主要表 現在兩個方面:一是設計計算階段管道重量(含保溫 層、流體介質等重量)輸入數據偏差[７];二是支吊架 計算選型錯誤(如未考慮管夾重量、吊點載荷未分配 等)[８].由于在設計階段很多結構的實際重量未知, 因而計算輸入的都是理論數據,而實際制造安裝與 設計圖紙往往都有一定的偏差,包括管道壁厚偏差、 內外徑偏差、閥門重量偏差、支吊架部件重量偏差、 保溫層重量偏差等,這就造成按照計算結果進行選型的支吊架載荷與結構實際重量存在一定的誤差, 當重量偏差較大時,則難以通過支吊架的載荷調整 來消除計算誤差,從而引起管道實際熱脹位移異常. 另外在根據計算吊點載荷進行支吊架選型時,可能 由于人為失誤而未考慮管夾重量或吊點載荷未平均 分配(雙拉桿吊架)等情況,這將導致局部吊點載荷 偏差,從而使得部分管段熱脹位移異常.

另外支吊架實際載荷偏差也會導致管道重量與 支吊架載荷不匹配,主要包括以下幾種情況[９]:①支 吊架制造質量不過關,支吊架出廠性能不達標;②現 場支吊架的錯裝、漏裝,也將導致局部吊點載荷偏 差,從而影響管道熱脹位移;③隨著運行時間的延 長,在役支吊架的性能不可避免地會出現一定的退 化,導致部

分支吊架的工作性能無法滿足規范要求, 甚至完全失效,進而改變支吊架載荷特性,導致管道 熱脹位移異常[１０Ｇ１１].

最后,實際現場管道由于安裝間隙不足或是后續 其他加裝的一些構件離管道太近,有可能阻礙管道的 正常熱膨脹位移,造成管道熱脹位移異常.另外還有 一些情況,如原先管道有一定的振動情況,現場未經 詳細計算分析,隨意加裝了一些限制性裝置以控制管 道振動,這些裝置很有可能阻礙了管道的正常熱膨 脹,同時在管道上設置了一個新的“死點”,這會改變整個管道的熱膨脹形式,導致管道熱脹位移異常.

３ 支吊架檢驗技術方案

總結上述可能導致管道熱脹位移異常的所有因 素,有針對性地進行排查與處理,并結合管道應力計 算分析結果進行全面的危害性評估,依據評估結果 以及現場處理條件合理制定相應的管道熱脹位移異 常處理方案,具體技術路線如圖５所示.

(１)資料收集與宏觀檢查

資料收集與宏觀檢查主要包括管道系統布置、 管道材料與規格、支吊架布置與類型、運行參數、支 吊架設計載荷以及位移等數據,以及現場管道及支 吊架運行狀態、支吊架冷熱態位移指示數據檢查記 錄等,并結合設計計算數據對比管道所有吊點的實際 熱脹位移是否相符,重點關注是否有異常膨脹死點以 及熱脹位移反向的管段,需要注意的是管道實際熱脹 位移一般小于設計計算數值,如果遇到實際熱脹位移 大于設計計算數值的情況也應該重點關注.

(２)原因檢查分析

如果出現熱脹位移不相符的情況應結合位移異 常狀態立即進行故障原因檢查分析,主要手段包括 現場異常限制情況檢查、管道型號(直徑、壁厚)檢 測、現場支吊架安裝相符性檢查、在役支吊架性能測 試[１２]、支吊架選型計算核對等.如管道出現異常下 沉情況時,可重點進行管道型號(直徑、壁厚)檢測、 在役支吊架性能測試、支吊架選型計算校核等,以便 檢驗是否是管道重量超過支吊架實際總載荷.如出現管道向下熱脹位移為零的情況時,則應重點關注 現場異常限制情況檢查、支吊架選型計算校核等,以 確認管道是否膨脹受阻.

(３)管道異常熱脹位移情況下的危害性計算分析 結合管道異常熱脹位移對管道自身以及連接設 備可能造成的危害,建立管道計算模型,將管道異常 熱脹位移情況作為原始邊界條件進行輸入,將計算 結果與管道材料的許用應力、設備端口允許推力和 推力矩進行對比,同時將計算結果與正常設計工況 進行對比分析,定量地分析出管道異常熱脹位移危 害性的大小.

(４)處理方案制定及實施 根據管道異常熱脹位移原因分析結果,有針對 性地給出相應的處理方案,常見的處理方案有:去除 現場不合理或額外約束;更換不合格或性能失效的 支吊架;根據最新的管道應力分析結果重新進行支 吊架選型計算等.并在機組停機檢修時,按照處理 方案進行調整施工,同時確保施工質量滿足方案中 提出的各項技術要求.

(５)效果評估測試

機組重新啟動并穩定運行一段時間后,進行詳 細地冷熱態檢查對比,并評價處理后的管道熱脹位 移情況是否滿足要求.其中管道支吊架的位移指示 也能夠直觀地反映管道膨脹情況,因而加強管道支 吊架的日常檢查記錄有助于有效掌握管道的位移狀 況,盡早地發現管道熱脹位移異常類故障.

４ 案例介紹

４．１ 某３００ MW 機組高壓給水管道熱脹位移異常 原因分析及處理

某電廠３００MW 亞臨界機組高壓給水管道(鍋 爐側)立體布置示意圖如圖６所示,通過對管道的支 吊架進行檢查發現,２號和３號恒力吊架冷、熱態指 示均向上卡死,顯示出對應吊點的熱位移為零,與設 計值嚴重不符[８].

查閱相關圖紙得到２號和３號恒力吊架的具體 資料如表１所示,現場檢查顯示吊架安裝規格以及 型號與設計資料一致.

管道應力校核計算顯示２號和３號吊架對應 吊點的設計載荷、位移正確,但該兩吊架均為雙拉 桿恒力吊架,吊點載荷應平分配到兩個吊架上,對 比吊架選型中的載荷數據可知選型規格中的載荷 標注錯誤,按 此 數 據 制 造 出 來 的 吊 架 實 際 載 荷 遠 大于吊點載荷,從而造成管道無法拉動吊架,阻礙 了管道的正常熱膨脹.

由２號和３號恒力吊架冷、熱態指示均向上卡 死可以判斷,管道在這兩處的豎直向熱膨脹被完全 限制,２號和３號恒力吊架已完全喪失了恒力吊架 的功能,退化為剛性吊架.依據管道布置圖紙,采用 專業計算軟件進行管道應力仿真計算,以理論設計 狀態為工況一,將２號和３號吊架給定為剛性吊架 為工況二,對比兩種工況在設計運行狀態下的一次 應力、二次應力以及管道與省煤器連接端口的推力 和推力矩,計算結果對比情況如表２所示.

計算結果顯示工況二較工況一的一次應力有所 提高,二次應力則顯著提高,這主要是由于二次應力 是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續要求 所產生的應力,管道局部豎直向熱膨脹被完全限制 后必然導致二次應力的顯著增大.同時由于２號和 ３號吊架位置距省煤器連接端口較近,該管段固定 卡死后,運行狀態下管道不能隨著鍋爐本體自由向 下膨脹,導致端口推力和推力矩也顯著增大.

最后依照正確的吊架選型方案將原有選型過大的吊架進行了更換,更換吊架后的檢查結果顯示該 高壓給水管道恢復了自由膨脹狀態,２號和３號吊 架所對應吊點的熱膨脹位移正常,管道熱膨脹受阻 問題得到了解決.

４．２ 某３００MW 機組主蒸汽管道下沉原因分析及處理

通過對某 電 廠 ２×３００ MW 亞 臨 界 機 組 主 蒸 汽管道的支 吊 架 進 行 檢 查 發 現,該 管 系 上 的 恒 力 吊架、彈簧 吊 架 普 遍 偏 離 設 計 冷、熱 態 位 置,恒 力 吊架冷、熱態指示均處于理論值下方,甚至呈向下卡死狀態;變力彈簧吊架呈過度壓縮狀態[１３].經 過冷、熱態對比可知該主蒸汽管道熱膨脹異常,管 道明顯下 沉.該 主 汽 管 道 設 計 溫 度 為 ５４５ ℃、設 計壓力 為 １７．４ MPa,主 管 規 格 為ID３６８．３ mm× ３８．４mm、支管規格為ID２７３．１mm×２９．２ mm,管 道材料為 A３３５P９１鋼.

參照前述處理管道下沉問題的流程,考慮判斷 管道重量是否超過理論設計值,并對該主蒸汽管道 各管段的實際壁厚進行了測量,主要測量和計算結 果如表３所示.

測量結果顯示管道實際壁厚明顯大于設計壁 厚,由管道線質量計算結果可知主管和支管的實際 重量較原始設計重量分別增加了１６．２％和１２．５％, 管道重量增加導致現有管道上的支吊架載荷與管道 重量不匹配,即承重支吊架理論設計載荷不足以承 受管道重量. 為更加準確地判斷管道下沉對管系安全運行的 危害,采用專業管道應力計算軟件對相關管系進行 了應力仿真計算,就理論設計狀態與管道增重后的 實際安裝狀態進行對比,計算所得的主蒸汽管道一 次應力和二次應力對比情況如表４所示.

計算結果顯示管道重量增加后,主蒸汽管道的 一次應力和二次應力均有顯著增大,危及管道的安 全運行.

針對以上支吊架載荷與管道重量不匹配的故 障,根據實際管道規格重新進行了管道應力計算,并 依據管道吊點載荷結果重新進行了支吊架選型,將 原有不符合的支吊架全部進行了更換.并在機組重 啟穩定后,對管道的膨脹、位移情況進行了持續檢查 記錄,檢查結果顯示處理后的主蒸汽管道工作狀態 正常,各支吊架冷、熱態均處于正常指示位置.

５ 結束語

管道支吊架實際工作載荷與實際需求載荷偏差較大,是引起大部分管道熱脹位移異常的主要原因; 而引起火電廠汽水管道熱脹位移異常的很多因素都 是基建階段產生并遺留的,如能在基建階段通過有 效的監督管理手段,盡早地發現管道支吊架設計、制 造、安裝缺陷,盡快地將故障隱患消除掉,可以為以 后機組的安全穩定運行提供有力的保障.

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<文章來源>材料與測試網>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>54卷>4期(pp:256-261)>