電站鍋爐四大管道支吊架設(shè)計(jì)原則與檢驗(yàn)方法

【摘要】本文主要關(guān)注了電站鍋爐上四大管道：主蒸汽、高溫再熱蒸汽、低溫再熱蒸汽和給水管道支吊架的相關(guān)問題。對(duì)支吊架設(shè)計(jì)的基本原則、支吊架類型、管道應(yīng)力分析原理進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)也闡述了支吊架檢驗(yàn)的主要流程和內(nèi)容，列舉了支吊架檢驗(yàn)過程中的常見問題及解決方法。

【關(guān)鍵詞】四大管道；支吊架；設(shè)計(jì)；檢驗(yàn)

The design principles and inspection methods of four main pipes supports and hangers for power station boilers

Tang Qi

（Zhejiang Special Equipment Inspection and Research Institute， Zhejiang Hangzhou 310020）

Abstract：This paperfocuses on the issues about four main pipes （main stream， hotreheat steam， coldreheat steam and feedwater）supports and hangers for power station boiler.The design principles， types of pipe supports and hangers and the theory of pipe stress analysis are summarized. Meanwhile， the main flow and contents of inspection methods are expressed. The common problems and solutionsduring the inspectionare also presented.

Key words： four main pipes； supports and hangers； design； inspection

1.概述

電站鍋爐中，主蒸汽、高溫再熱蒸汽、低溫再熱蒸汽和給水管道并稱為四大管道。這些管道長(zhǎng)期在高溫高壓狀態(tài)下運(yùn)行，其安全性能主要取決于運(yùn)行狀態(tài)、管道材質(zhì)以及受力狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)和管道材質(zhì)都是由工作要求來(lái)決定的，而受力狀態(tài)則主要取決于管道布置及沿程支吊裝置的設(shè)置。支吊架是管道系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是承受管道荷載、限制管道位移和控制管道振動(dòng)。隨著大容量、高參數(shù)機(jī)組的不斷發(fā)展，四大管道的管徑、壁厚及保溫層厚度都隨之增加，這就對(duì)這些管道上的支吊架提出了更高的要求。如果在一組支吊架中出現(xiàn)部分支吊架過載或失效，將造成管道各支吊點(diǎn)工作載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，使得整組支吊架不能按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行，從而引起管道局部應(yīng)力增大造成裂紋或破損，從而嚴(yán)重威脅機(jī)組安全。因此，對(duì)支吊架進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與調(diào)整，使管道受力均衡，應(yīng)力水平滿足工作要求，消除存在的缺陷和安全隱患，延長(zhǎng)管道的使用壽命在近年來(lái)越來(lái)越受到重視[1，2]。

2.管道支吊架設(shè)計(jì)與選用

2.1 基本原則

管道支吊架的設(shè)計(jì)主要遵循以下幾個(gè)原則[3，4]：

（1）按照支吊架設(shè)計(jì)中對(duì)于跨距的要求，控制支吊架間距，以保證其撓度不超過限制。同時(shí)支吊架位置的確定還必須考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，確保支吊架可生根于鋼架結(jié)構(gòu)或地面上；

（2）支吊架的設(shè)置還應(yīng)滿足管系的柔性要求，利用管系的自支撐與補(bǔ)償能力，合理布置及分配支吊架。對(duì)于某些有特殊要求的位置，則需利用支吊架有效控制管道的縱向及橫向位移；

（3）具體到某一位置的支吊架類型及結(jié)構(gòu)，則應(yīng)根據(jù)該支承點(diǎn)管道材質(zhì)、保溫層厚度、載荷大小與方向及管道位移情況來(lái)進(jìn)行選擇。

2.2 支吊架類型

管道支吊架類型主要包括承重支吊架、限位支吊架和振動(dòng)控制支吊架[5]。

承重支吊架主要用于承受管道的重量，包括剛性支吊架、變力彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架。剛性支吊架用于管道無(wú)垂直位移或垂直位移很小的地方，變力彈簧支吊架用于管道垂直位移較小的地方，而恒力彈簧支吊架則用于管道垂直位移較大的地方。

限位支吊架主要用于限制管道的自由位移，包括限位裝置和導(dǎo)向支架。限位裝置主要用于限制管道某一方向的位移，導(dǎo)向支架則用于引導(dǎo)管道在某一方向的位移，而同時(shí)控制其它方向的位移。

振動(dòng)控制支吊架則主要用于控制管道的振動(dòng)和沖擊，主要包括減振器和阻尼器。

2.3 管道應(yīng)力分析

管道應(yīng)力分析的任務(wù)是在完成管道走向布置和支吊架位置選擇后，計(jì)算在外部載荷（自重、溫度等）作用下，管道的變形、應(yīng)力分布及對(duì)端點(diǎn)設(shè)備的推力是否符合使用條件，從而評(píng)估管道使用的安全性。

在管道應(yīng)力分析中，將管道應(yīng)力分為兩種：一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。一次應(yīng)力是指由管道內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載所產(chǎn)生的應(yīng)力；二次應(yīng)力是指由熱脹、冷縮和其它位移約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。通過管道應(yīng)力分析，應(yīng)當(dāng)保證管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力均在許用范圍內(nèi)[6，7]。

（1）管道的一次應(yīng)力，不得大于鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力：

σL=pDi2/（Do2-Di2）+0.75iMA/W≤1.0[σ]t

式中，σL為管道一次應(yīng)力，Mpa；p為設(shè)計(jì)壓力，Mpa；Do為管道外徑，mm；Di為管道內(nèi)徑，mm；MA為管道自重和其它持續(xù)外載作用在管道橫截面上的合成力矩，N·mm；W為管道截面抗彎矩，mm3；[σ]t為鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，Mpa；i為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)。

（2）管道的二次應(yīng)力，應(yīng)滿足以下計(jì)算式：

σE=iMC/W≤f[1.2[σ]20+0.2[σ]t+（[σ]t-σL）]

式中，σE為管道二次應(yīng)力，Mpa；MC為按全補(bǔ)償值和鋼材在20℃時(shí)的彈性模量計(jì)算的，熱脹引起的合成力矩，N·mm；[σ]20為鋼材在20℃時(shí)的許用應(yīng)力，Mpa；f為修正系數(shù)；修正系數(shù)f與電廠在預(yù)期運(yùn)行年限內(nèi)管道全溫度周期性交變次數(shù)N有關(guān)。當(dāng)N≤2500時(shí)，f=1；當(dāng)N>2500時(shí)，f=4.78N-0.2。

管道應(yīng)力計(jì)算的對(duì)象為即為電站鍋爐四大管道，由于計(jì)算量較大且計(jì)算復(fù)雜，管道應(yīng)力分析一般采用軟件（如CAESAR II等）計(jì)算來(lái)進(jìn)行。應(yīng)力分析計(jì)算時(shí)對(duì)主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道、低溫再熱蒸汽管道、高/低壓旁路蒸汽管道和高壓給水管道進(jìn)行1：1建模。其中主蒸汽管道、高壓旁路管道和低溫再熱管道連接在一起計(jì)算，高溫再熱管道和低壓旁路管道連接在一起計(jì)算。通過計(jì)算獲得管道各支吊點(diǎn)的載荷與位移、端點(diǎn)位移和應(yīng)力分布，從而驗(yàn)證管道設(shè)計(jì)及使用的安全性。

3.管道支吊架檢驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)流程及主要內(nèi)容

當(dāng)電站管道支吊架設(shè)計(jì)安裝完成，管道投用之后，為確保管道長(zhǎng)期安全的運(yùn)行，就應(yīng)該定期對(duì)管道支吊架進(jìn)行檢驗(yàn)。管道支吊架檢驗(yàn)流程主要包括資料審查，支吊架熱態(tài)檢查，支吊架冷態(tài)檢查，管系應(yīng)力計(jì)算，提出調(diào)整方案進(jìn)行工程實(shí)施及驗(yàn)收等步驟，主要檢查內(nèi)容如下[8，9]：

（1）資料審查：收集設(shè)計(jì)資料，包括管線布置圖，支吊架明細(xì)表和材料匯總表等，繪制管道單線圖。逐一對(duì)支吊架進(jìn)行核查，檢驗(yàn)實(shí)際安裝的各支吊架位置、型號(hào)是否與設(shè)計(jì)相符。

（2）支吊架熱態(tài)檢查：在機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下利用望遠(yuǎn)鏡、相機(jī)及刻度尺等工具對(duì)支吊架進(jìn)行檢驗(yàn)。檢查彈簧支吊架內(nèi)部機(jī)構(gòu)是否卡死，是否存在過載或失載，記錄熱位移情況；檢查剛性支吊架是否失載；檢查支吊架管部、根部的連接是否牢固，吊桿偏斜角度是否正常；檢查限位裝置及阻尼器狀態(tài)是否正常。

（3）支吊架冷態(tài)檢查：在機(jī)組停爐狀態(tài)下對(duì)支吊架進(jìn)行檢查。檢查工具及檢驗(yàn)內(nèi)容與熱態(tài)檢查相同。

（4）管道應(yīng)力計(jì)算：根據(jù)管道設(shè)計(jì)資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)支吊架實(shí)際情況對(duì)管系進(jìn)行應(yīng)力校核計(jì)算，為支吊架調(diào)整提供必要的理論支持；

（5）綜合分析設(shè)計(jì)資料及支吊架冷熱態(tài)檢驗(yàn)、應(yīng)力分析情況，提出整改方案并進(jìn)行工程實(shí)施及驗(yàn)收。

3.2 檢驗(yàn)中的常見問題

支吊架狀態(tài)異常會(huì)導(dǎo)致支吊架功能失效，從而影響管系的峰值應(yīng)力大小及分布，造成管系局部應(yīng)力增加且影響鄰近支吊架的載荷分布或?qū)Χ它c(diǎn)設(shè)備造成較大的推力，影響管道的安全運(yùn)行。支吊架狀態(tài)檢查中的常見問題[10，11]有：

（1）管道及支吊架位移受阻。管道、支吊架與附近管道或設(shè)備卡碰嚴(yán)重，影響管道的正常熱膨脹。

（2）支吊架吊桿偏斜嚴(yán)重，吊桿松動(dòng)不承力，吊桿斷裂；支吊架管部或根部出現(xiàn)裂紋、損壞等。

（3）支吊架類型選擇不當(dāng)或使用錯(cuò)誤，應(yīng)使用變力或恒力彈簧支吊架的位置，使用了剛性吊架，造成管道位移受阻，造成管道或支吊架損壞。

（4）變力彈簧支吊架狀態(tài)異常。彈簧壓縮不足，支吊架欠載、甚至脫載；或彈簧過度壓縮，支吊架過載。

（5）變力彈簧支吊架安裝時(shí)的定位銷或卡塊未拔除，實(shí)際上變?yōu)榱藙傂缘跫苁褂?，影響管道正常熱位移?/p>

（6）恒力彈簧支吊架狀態(tài)異常。位移指針不在工作范圍，指針完全卡在上極限或下極限等，造成載荷轉(zhuǎn)移，影響鄰近其它支吊架的受力情況。

（7）限位裝置、導(dǎo)向支架、滑動(dòng)支架異常。限位裝置剛性支撐支點(diǎn)脫離，導(dǎo)向支架導(dǎo)向錯(cuò)誤、位移受阻，滑動(dòng)支架滑動(dòng)受阻、失載等。

（8）阻尼器失效，油系統(tǒng)與工作位移異常，承受管道工作載荷。

3.3 主要調(diào)整方法

針對(duì)在支吊架狀態(tài)檢查中的發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合管道應(yīng)力計(jì)算的理論支持，就可以對(duì)存在問題的支吊架采取相應(yīng)的調(diào)整維護(hù)措施，使其恢復(fù)到有效的工作狀態(tài)[10，12]。主要的調(diào)整方法包括：

（1）對(duì)于應(yīng)力分析中發(fā)現(xiàn)使用有誤的支吊架，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更換和重新選型，滿足管系的應(yīng)力要求。

（2）對(duì)熱位移受阻的支吊架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和安裝，保證管道與支吊架、管道與設(shè)備不發(fā)生卡碰。

（3）對(duì)于吊桿偏斜過大，斷裂的支吊架，進(jìn)行重新偏裝，生根。對(duì)管部或根部出現(xiàn)裂紋的支吊架進(jìn)行修復(fù)或更換。

（4）對(duì)于支吊架類型安裝錯(cuò)誤的，應(yīng)進(jìn)行更換，恢復(fù)為設(shè)計(jì)狀態(tài)。

（5）對(duì)于過載或失載的變力彈簧支吊架應(yīng)調(diào)整花籃螺絲，使其恢復(fù)至正常工作位置。

（6）安裝時(shí)未拔除定位銷或卡塊的變力彈簧支吊架應(yīng)拔除定位銷或卡塊，恢復(fù)其正常功能。

（7）對(duì)于位移指針不在工作范圍，卡在上極限或下極限的恒力彈簧支吊架，應(yīng)當(dāng)調(diào)整花籃螺絲，使其恢復(fù)至工作位置。

（8）對(duì)于狀態(tài)異常的限位裝置、導(dǎo)向支架、滑動(dòng)支架和阻尼器，應(yīng)進(jìn)行更換和修復(fù)。

4.結(jié)語(yǔ)

電站鍋爐四大管道支吊架的設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)正越來(lái)越受到重視，是確保電站鍋爐安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。本文主要討論了電站鍋爐上四大管道：主蒸汽、高溫再熱蒸汽、低溫再熱蒸汽和給水管道支吊架的相關(guān)問題。主要分為兩個(gè)部分，第一部分是支吊架的設(shè)計(jì)與選用：總結(jié)了支吊架設(shè)計(jì)的基本原則，列舉了支吊架的類型與選用方法，介紹了管道應(yīng)力分析的原理及作用。第二部分是支吊架的檢驗(yàn)：給出了支吊架檢驗(yàn)的主要流程和內(nèi)容，列舉了支吊架檢驗(yàn)過程中遇到的常見問題，并給出一些了解決方法。

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作者簡(jiǎn)介

湯琪（1987- ），男，浙江杭州人，博士，主要從事鍋爐檢驗(yàn)及運(yùn)行優(yōu)化方面的研究。