低溫再熱蒸汽管道下沉原因分析及處理措施

王光林 馬強(qiáng) 于濤

摘要：某電廠低溫再熱蒸汽管道在吹管后出現(xiàn)異常下沉，恒力彈簧吊架普遍處于下極限位置。文章通過(guò)分析找出導(dǎo)致管道下沉的主要原因，并針對(duì)此提出了替換3組恒力彈簧吊架為剛性吊架，更換4組恒力彈簧吊架的處理方案以及高溫蒸汽管道下沉的預(yù)防建議，方案實(shí)施后管道下沉問(wèn)題得到有效解決。

關(guān)鍵詞：低溫再熱蒸汽管道；管道下沉；恒力彈簧吊架；吹管；剛性吊架 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TK284 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.014

火電機(jī)組的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道及高壓給水管道均為高溫高壓管道，其運(yùn)行狀況影響機(jī)組的安全運(yùn)行。管道支吊架的作用是支承管道重量，平衡介質(zhì)反力，限制位移及防止震動(dòng)，保證管道應(yīng)力及設(shè)備接口力和力矩在許用范圍內(nèi)。

某電廠2×350MW超臨界機(jī)組低溫再熱蒸汽管道在吹管及機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行后出現(xiàn)異常下沉、支吊架運(yùn)行異常的情況，部分恒力彈簧卡死于下極限位置，無(wú)法回復(fù)到原冷態(tài)位置。本文通過(guò)分析該工程管道下沉及支吊架運(yùn)行異常的原因，提出處理方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)處理后，管道和支吊架均運(yùn)行正常，沒(méi)有出現(xiàn)管道下沉和支吊架運(yùn)行異常的情況，能夠滿(mǎn)足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

1 低溫再熱蒸汽管道吹管及機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行后支吊架異常狀況描述

低溫再熱蒸汽管道的主要參數(shù)見(jiàn)表1：

本工程低溫再熱蒸汽管道從高排出口單管接出，到爐前分為兩路，接入鍋爐低溫再熱器進(jìn)口集箱。管道及支吊架布置示意圖如圖1所示：

G1至G18為鍋爐廠設(shè)計(jì)范圍內(nèi)支吊架；1至16為設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)范圍內(nèi)支吊架；+X：固定端至擴(kuò)建端，+Y：汽機(jī)至鍋爐，+Z：豎直向上

圖1 低溫再熱蒸汽管道支吊架布置示意圖

機(jī)組吹管過(guò)程中，低溫再熱蒸汽管道就出現(xiàn)明顯下沉，1、9、G8、G9、G16、G17#吊架處于下極限位置，其中9#吊架造成指針彎曲，鍋爐接口處G1～G3，G10～G15#吊架指針在70%左右位置，G4、G7、G18、2～7#吊架指針均在80%以上。吹管結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)低溫再熱蒸汽管道并未回到冷態(tài)位置，反而繼續(xù)下沉，大部分恒力彈簧吊架均處于下極限位置。

帶負(fù)荷運(yùn)行后，管道從冷態(tài)到熱態(tài)本應(yīng)向上膨脹，但下沉部分管道并未運(yùn)行到應(yīng)有的熱態(tài)位置，大部分恒力彈簧吊架還處于下極限位置，通過(guò)實(shí)際熱態(tài)工況與計(jì)算工況對(duì)比，爐前母管處熱位移相差200mm以上。

2 低溫再熱蒸汽管道下沉原因分析

2.1 低溫再熱蒸汽管道剛度不夠，缺少垂直限位裝置

本工程低溫再熱蒸汽管道從汽機(jī)房B列11.18m處的13#剛性支架處至鍋爐側(cè)標(biāo)高48.76m低溫再熱器進(jìn)口集箱之間，無(wú)任何垂直限位裝置或剛性吊架，且除G5～G7、G13、G14因熱位移稍小采用變力彈簧外，從11號(hào)吊架至鍋爐接口的所有吊架為了滿(mǎn)足熱膨脹要求，均為恒力彈簧吊架，恒力彈簧吊架對(duì)管道的熱位移沒(méi)有任何約束作用，如果管道總重量大于支吊架設(shè)計(jì)重量，在恒力吊架占大多數(shù)的情況下不能抵消所增加重量，恒力彈簧只能下拉至下極限位置以承擔(dān)增加的部分重量。

整個(gè)低溫再熱蒸汽管道剛度小，在垂直落差近40m、水平跨度超過(guò)50m的范圍內(nèi)缺少垂直限位裝置，未設(shè)置剛性吊架，管道剛度不夠，穩(wěn)定性變差。

2.2 鍋爐廠范圍內(nèi)支吊架選型未考慮支吊架零部件重量

隨著機(jī)組向大容量、高參數(shù)方向的不斷發(fā)展，管道尺寸越來(lái)越大，支吊架零部件重量也不斷增加。如果在支吊架設(shè)計(jì)過(guò)程中不考慮零部件的重量，就會(huì)造成管道各支吊點(diǎn)選型載荷與實(shí)際荷載不符，導(dǎo)致管道下沉。

經(jīng)過(guò)核查本工程設(shè)計(jì)院范圍內(nèi)支吊架設(shè)計(jì)時(shí)考慮了支吊架零部件的重量，但鍋爐廠供貨范圍內(nèi)彈簧選型未考慮，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，鍋爐廠供貨范圍內(nèi)管道系統(tǒng)未考慮的零部件質(zhì)量約1.8t，且鍋爐廠供貨范圍內(nèi)吊架大部分為恒力彈簧吊架，會(huì)出現(xiàn)前文所述的恒力彈簧吊架的荷載小于各個(gè)吊點(diǎn)的實(shí)際重量，出現(xiàn)“提不動(dòng)”的情況，從而發(fā)生管道下沉。

2.3 吹管參數(shù)超過(guò)低溫再熱蒸汽管道設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程低溫再熱蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力為5.072MPa，設(shè)計(jì)溫度為338.54℃；管道材質(zhì)分別為A672 B72 CL32和SA-106C（鍋爐廠供貨）。中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司《關(guān)于印發(fā)火力發(fā)電廠超（超）臨界機(jī)組四大管道設(shè)計(jì)專(zhuān)題研討會(huì)議紀(jì)要的通知》中說(shuō)明：A672 B72 CL32材料僅限于設(shè)計(jì)溫度≤415℃時(shí)使用。《ASME B31.1-2010》中第124.2章節(jié)關(guān)于材料的限制中有如下描述：普通碳鋼、普通鎳合金鋼、碳錳合金鋼、錳釩合金鋼和碳硅鋼的碳化物金相組織，在高于800°F（427℃）溫度下長(zhǎng)期使用時(shí)可能會(huì)石墨化。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的吹管記錄，不同時(shí)間段的低溫再熱蒸汽的吹管溫度均高于設(shè)計(jì)溫度，吹管最高溫度超過(guò)495℃，超過(guò)427℃的吹管時(shí)間超過(guò)30小時(shí)。

低溫再熱蒸汽管道吹管后各支吊點(diǎn)位移值與設(shè)計(jì)冷態(tài)位移差距較大，表明管道吹管冷卻后未恢復(fù)到設(shè)計(jì)狀態(tài)，管道可能發(fā)生塑性變形，后續(xù)需委托有相應(yīng)資質(zhì)單位對(duì)管道進(jìn)行金相組織檢測(cè)，并對(duì)管道壽命進(jìn)行評(píng)估。

2.4 對(duì)恒力彈簧支吊架性能進(jìn)行測(cè)試

低溫再熱蒸汽管道中配備了大量的恒力彈簧支吊架，在理想狀態(tài)下，恒力彈簧在行程范圍內(nèi)荷載是一致的。但如果恒力彈簧質(zhì)量不好，荷載就會(huì)出現(xiàn)偏差，就會(huì)對(duì)管系的冷、熱位移產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)《恒力彈簧支吊》（JB/T）的要求，恒力彈簧的恒定度要控制在6%以?xún)?nèi)，建議對(duì)本工程采用的恒力彈簧支吊進(jìn)行恒定度測(cè)試，如恒定度不滿(mǎn)足要求則需更換恒力彈簧支吊架。

3 處理方案及結(jié)果

3.1 處理方案

（1）將9、G8、G16#恒力彈簧改為剛性吊架并重新進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果需更換2、6、7、11#支吊架彈簧；（2）對(duì)13#剛性吊架進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加固，防止荷載轉(zhuǎn)移到此處；（3）重新應(yīng)力計(jì)算后鍋爐再熱器接口推力及力矩增加，重新發(fā)鍋爐廠確認(rèn)強(qiáng)度。

3.2 結(jié)果

施工過(guò)程中無(wú)法讓管道提升至原始安裝位置，但機(jī)組重新運(yùn)行后，因增設(shè)了剛性吊架，未出現(xiàn)管道下沉的情況，恒力彈簧吊架處于正常指示位置。

4 預(yù)防高溫蒸汽管道下沉的建議及措施

結(jié)合本文低溫再熱蒸汽管道出現(xiàn)異常下沉的情況，為了保證高溫蒸汽管道安全穩(wěn)定運(yùn)行，提出高溫蒸汽管道設(shè)計(jì)、支吊架選型和安裝時(shí)的五點(diǎn)建議：（1）高溫蒸汽管道要有一定剛度，要根據(jù)管道布置情況合理設(shè)置垂直限位裝置或者剛性吊架，提高管系的穩(wěn)定性，起到控制垂直位移的作用，避免設(shè)置大量連續(xù)恒力彈簧吊架，剛性吊架要適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)荷載，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的荷載轉(zhuǎn)移情況；（2）管道支吊架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮選型載荷和實(shí)際載荷的偏差。本文分析的低溫再熱蒸汽管道采用外徑管，壁厚偏差很小，但對(duì)某些大口徑內(nèi)徑管，壁厚偏差較大，建議進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)根據(jù)到貨的實(shí)際管道規(guī)格進(jìn)行輸入，同時(shí)也要注意模擬三通彎頭等管件的實(shí)際重量。設(shè)計(jì)院在彈簧選型時(shí)，要考慮支吊架零部件的重量；（3）嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)吹管參數(shù)，在滿(mǎn)足吹管要求的前提下，吹管參數(shù)盡量低于管道的設(shè)計(jì)參數(shù)，并避免長(zhǎng)時(shí)間超溫吹管；（4）選擇質(zhì)量?jī)?yōu)良的恒力彈簧，并對(duì)恒力彈簧的恒定度進(jìn)行檢查；（5）施工單位嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求對(duì)高溫蒸汽管道及支吊架進(jìn)行安裝，彈簧的承載力與其整定荷載應(yīng)相平衡，直至鎖定裝置能自由地取出，彈簧鎖定裝置應(yīng)有序批量解除，不得零星解除。在做任何調(diào)整前，施工單位應(yīng)將管系中所有彈簧支吊架荷載/位移指示的原始位置都記錄下來(lái)，做到安裝調(diào)整數(shù)據(jù)可以追溯，便于情況分析。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析找出了管道下沉的主要原因：管道剛度不夠，缺少垂直限位裝置；鍋爐廠供貨范圍內(nèi)恒力彈簧吊架選型未考慮零部件，導(dǎo)致支吊架承載能力偏小，提不動(dòng)整個(gè)低溫再熱蒸汽管道；吹管參數(shù)過(guò)高，吹管時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，管道可能產(chǎn)生塑性變形；建議對(duì)所選恒力彈簧的恒定度進(jìn)行測(cè)試。

將3組恒力彈簧吊架改為剛性吊架，更換4組恒力彈簧吊架，有效地解決了管道下沉和恒力彈簧吊架工作異常的問(wèn)題。

通過(guò)原因分析和實(shí)際問(wèn)題的解決，提出預(yù)防高溫蒸汽管道下沉的幾點(diǎn)建議，為高溫蒸汽管道設(shè)計(jì)及支吊架選型及安裝提供參考經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：王光林（1983-），男，山東濟(jì)南人，山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰局屑?jí)工程師，碩士，研究方向：熱機(jī)

設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）