發(fā)電廠管道支吊架典型設(shè)計缺陷剖析

唐 璐， 宋國輝， 李長寧， 王冠楠， 王雪峰

(1. 蘇州熱工研究院有限公司， 江蘇蘇州 215004； 2. 江蘇省電力設(shè)計院有限公司， 南京 211102；3. 煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司， 山東煙臺 264006)

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設(shè)計與制造

發(fā)電廠管道支吊架典型設(shè)計缺陷剖析

唐 璐1， 宋國輝2， 李長寧1， 王冠楠3， 王雪峰3

(1. 蘇州熱工研究院有限公司， 江蘇蘇州 215004； 2. 江蘇省電力設(shè)計院有限公司， 南京 211102；3. 煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司， 山東煙臺 264006)

針對恒力彈簧支吊架選型未考慮支吊架零部件質(zhì)量、支吊架設(shè)計未充分考慮支吊架實際尺寸和阻尼器選型未充分考慮行程裕量，剖析了這三類典型設(shè)計缺陷，為管道支吊架設(shè)計和改造提供了參考。

發(fā)電廠； 支吊架； 設(shè)計缺陷； 剖析

支吊架是管道系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是承載管道的質(zhì)量、約束管道的熱位移和控制管道的振動[1]。支吊架設(shè)計是管道設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。合理設(shè)計管道支吊架的類型和位置能有效地控制管道的應(yīng)力大小及其對設(shè)備的推力和推力矩，保證管道和設(shè)備長期安全穩(wěn)定運行。如果支吊架設(shè)計不當，不能有效承載管道載荷，將可能導(dǎo)致一次應(yīng)力超標；限位支架的不合理設(shè)置將影響管道的熱脹冷縮，導(dǎo)致管道與設(shè)備接口推力和推力矩超出設(shè)備能夠承受范圍，造成二次應(yīng)力超標，嚴重時將引起管道振動，威脅到管道和設(shè)備安全運行。

隨著電力建設(shè)的迅猛發(fā)展，大容量、高參數(shù)機組不斷建成投產(chǎn)，管道支吊架引發(fā)的安全事故時有發(fā)生，給機組的順利投產(chǎn)和安全穩(wěn)定運行帶來嚴重的影響[2]。無論是在建機組或者在役機組，管道系統(tǒng)中存在管道支吊架失效問題，很大一部分問題是在設(shè)計過程中造成的。筆者根據(jù)長期從事管道支吊架檢查和調(diào)整項目中發(fā)現(xiàn)的典型設(shè)計缺陷，分析了火電廠管道支吊架設(shè)計過程中易被忽視的環(huán)節(jié)，為管道支吊架設(shè)計及改造提供參考。

1 恒力彈簧吊架選型未計吊架零部件質(zhì)量

支吊架零部件自重是支吊架載荷，尤其是彈性吊架載荷中一個重要組成部分。傳統(tǒng)管道設(shè)計中并未足夠重視支吊架零部件質(zhì)量對彈性件選型的影響。在已完成的管道設(shè)計中，存在大量未計支吊架零部件質(zhì)量的事例，其中某些支吊架安裝時需要不斷調(diào)整彈簧支吊架或恒力彈簧支吊架的彈簧，使得彈性件工作在非設(shè)計狀態(tài)，造成管道各支吊點的實際工作(安裝)載荷和設(shè)計(安裝)載荷發(fā)生較大差異，甚至會發(fā)生吊架提不起管道，導(dǎo)致管道下沉[3]。由此原因造成的常見失效有兩種情況：

(1) 單個支吊架工作失效。在管道冷熱態(tài)位移變化較大、單個恒力彈簧吊架無法滿足熱位移時，可采用串聯(lián)恒力彈簧吊架來解決問題。串聯(lián)的兩個恒力彈簧吊架選型應(yīng)有所差別，上部的恒力彈簧吊架選型載荷應(yīng)計及下部恒力彈簧吊架自身的質(zhì)量、吊桿和管夾的質(zhì)量；若串聯(lián)的兩個恒力彈簧載荷選型一致，上部的彈簧所承受的實際載荷將大于選型載荷，在拔除整定鎖定銷后，上部恒力彈簧吊架將會出現(xiàn)提不起管道的情況。某機組主蒸汽管道恒力彈簧吊架應(yīng)力計算給出的載荷為76620N，熱位移為向上377mm，由于單個恒力彈簧吊架無法滿足這么大的熱位移，采用了串聯(lián)恒力彈簧吊架。串聯(lián)的兩個吊架都選了載荷78300N(已計入管夾載荷)，熱位移向上189mm的恒力彈簧吊架，然而吊架自身荷重13790N(占吊架選用載荷近18%)，再加上此處其他載荷已超過78300N,由于上部恒力彈簧吊架選型載荷仍選擇78300N，實際熱態(tài)運行時上部恒力彈簧吊架處于下極限位置附近，存在很明顯的提不起管道的現(xiàn)象(見圖1)。

(2) 管系支吊架工作失效。隨著大容量、高參數(shù)機組的不斷發(fā)展，管道尺寸相應(yīng)增大，管道支吊架零部件質(zhì)量也不斷增加。對于一些重要管道，目前設(shè)計院和支吊架廠家在吊架選型時已經(jīng)計入這部分質(zhì)量，但仍存在忽略附近限位裝置、阻尼器管夾及附件質(zhì)量的失誤，從而造成較大的設(shè)計缺陷。

就實例情況來看，目前在部分在役機組的高溫再熱蒸汽管道上，由于恒力彈簧吊架設(shè)計選型未正確考慮附近吊架附件質(zhì)量，造成一連串的恒力彈簧吊架處于極限位置，管道出現(xiàn)下沉等不安全現(xiàn)象。圖2為某百萬機組一段高溫再熱蒸汽管道局部布置圖。

高溫再熱蒸汽管道設(shè)計參數(shù)如下：材質(zhì)為A335P92，管道直徑為749mm，管道壁厚為47mm，溫度為608℃，壓力為5.94MPa，設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 支吊架計算和選型數(shù)據(jù)

從表1中可以看出：各個恒力彈簧吊架載荷選型計及了管夾及附件的荷重，但是限位支架、限位拉撐桿和阻尼器管夾、附件荷重沒有計入相鄰的恒力彈簧吊架中，僅該段管道就缺少了22500N的載荷，恒力彈簧吊架2020、2021和2024均選型偏小，機組熱態(tài)運行時，吊架提不起管道，管道向上的熱位移嚴重不足。以2024恒力彈簧吊架為例，設(shè)計熱位移為向上313.1mm，而實際運行過程中，恒力彈簧吊架指示嚴重偏離設(shè)計狀態(tài)，處于下極限位置。圖3為現(xiàn)場恒力彈簧吊架狀況，很顯然該處吊架提不起管道，管道明顯下沉。

總的來看，支吊架零部件質(zhì)量除了應(yīng)包括吊桿、管夾及連接件等組件的質(zhì)量外，對于串聯(lián)的彈簧和恒力彈簧，尤其必須注意到上部彈性件的荷載應(yīng)包含相應(yīng)下部彈性件的質(zhì)量。未計入或不正確的計入支吊架零部件質(zhì)量可能對管道產(chǎn)生較大的不利影響，甚至導(dǎo)致支吊架工作失效。這種設(shè)計缺陷不僅能對單個支吊點產(chǎn)生不利作用，還有可能對整個管道系統(tǒng)造成明顯不利的后果。

2 支吊架設(shè)計時未充分考慮支吊架實際尺寸

部分設(shè)計單位在設(shè)計出圖過程中僅提供了管道支吊架根部、管部、連接件和彈簧等功能件型號、管部和根部位置標高等信息，但并未給出管道支吊架的詳細安裝圖。這有可能在選型過程中忽略支吊架本身的尺寸而導(dǎo)致現(xiàn)場無法安裝。

如某600MW超超臨界機組高壓加熱器疏水管道吊架無安裝詳圖，僅提供了明細表，信息如下：根部標高13.33m，管部標高12.2m，工作載荷20000N，熱位移向上17mm，根部選型單孔吊板G12.36，管部管夾選型三孔短管夾D2A.219S，彈簧選型T2.213，拉桿型號L1A.30-273，連接件吊環(huán)螺母L7.30。查找《汽水管道支吊架設(shè)計手冊》可知：單孔吊桿生根到受力點距離70mm，D2A.219S管部中心線到受力點距離350mm，吊環(huán)螺母L7.30長115mm，彈簧T2.213長630mm，根據(jù)上述信息得出裝配示意圖見圖4。從生根到管中心距離總長為1438mm，而現(xiàn)場根部標高到管部標高的距離僅有1130mm，現(xiàn)場無法安裝。這是一個典型的未考慮到彈簧尺寸而導(dǎo)致現(xiàn)場無法安裝的情況。

另外，支吊架的布置應(yīng)考慮到疏水點及管道焊縫位置。圖5為機組二段抽汽管道未充分考慮支吊架尺寸，支吊架距離疏水點及焊縫位置太近而導(dǎo)致現(xiàn)場支吊架無法安裝的例子。

二段抽汽管道設(shè)計參數(shù)如下：材質(zhì)為12Cr1MoVG，管子直徑為273mm，管子壁厚為11mm，溫度為410℃，壓力為7.3MPa。電動閘閥2和氣動逆止閥3之間距離為582mm，其中還布置一個疏水點SS1，電動閘閥和疏水點之間距離為300mm，其中還設(shè)置了101號彈簧吊架。彈簧吊架所選管夾型號為D1.273H，管夾寬度為70mm。標準規(guī)定支吊架距環(huán)焊縫邊緣的凈距不應(yīng)小于50mm；需要熱處理的焊縫距支吊架邊緣的最小凈距離應(yīng)大于焊縫寬度的5倍，且不得小于100mm[4]?，F(xiàn)場由于支吊架距離焊縫位置太近而無法安裝。

目前汽水管道支吊架的設(shè)計都通過專業(yè)軟件完成，煙風煤粉管道設(shè)計的自動化程度相對較低[5]。當手工設(shè)計支吊架時，應(yīng)充分重視支吊架零部件的實際尺寸，以防安裝空間不足。

3 阻尼器的選型未考慮行程裕量

阻尼器行程的選擇由管道在阻尼器處的熱位移來決定。選擇的阻尼器應(yīng)使冷、熱態(tài)均有足夠的位移裕度，未充分考慮管道熱位移對于阻尼器的影響，阻尼器會因管道位移超限而損壞。

某百萬超超臨界機組高壓旁路422號和427號X向阻尼器熱態(tài)均被拉斷。查閱圖紙后發(fā)現(xiàn)，這兩個阻尼器在設(shè)計時自由行程選擇偏小。以422號阻尼器為例，安裝處X向熱態(tài)位移為136mm，選型號為DA2-150，自由行程為150mm的阻尼器。此阻尼器最大位移偏小，未滿足預(yù)留20%的位移裕量。即使阻尼器安裝時能夠嚴格按照圖紙安裝，在機組長期運行過程中，管道由于應(yīng)力松弛而使管道塑性變形等因素，熱位移有可能超出設(shè)計值，從而導(dǎo)致阻尼器位移超限而損壞。重新設(shè)計時選擇了300mm行程的阻尼器，現(xiàn)場割開生根，根據(jù)新選擇的阻尼器尺寸重新焊制生根，機組啟動后，阻尼器運行狀況正常。圖6(a)為原兩側(cè)阻尼器位移均超出極限位置，阻尼器生根處被拉斷；圖6(b)顯示阻尼器重新選型設(shè)計后，熱態(tài)運行時阻尼器狀況正常。

4 結(jié)語

支吊架零部件自重是支吊架載荷中不容忽視的一個重要組成部分。恒力彈簧吊架的載荷選型不僅需要考慮吊架零部件質(zhì)量，還需要計入附近的限位管夾或阻尼器管夾的質(zhì)量，對于串聯(lián)的(恒力)彈簧吊架，上部彈性件載荷應(yīng)計入下部彈性件質(zhì)量。

支吊架的布置需要充分考慮支吊架自身功能件的尺寸、管道焊縫及疏水點位置，盡量避免在焊縫及疏水點附近。

阻尼器的設(shè)計選型應(yīng)充分考慮熱位移的影響，其最大工作行程應(yīng)比管道在阻尼器處的熱位移矢量和大20%，且至少大20mm。阻尼器行程一般150mm一檔，管道熱位移在接近行程跳檔附近時，應(yīng)選擇行程大一檔的阻尼器，從而預(yù)留出足夠的裕量，避免阻尼器因管道應(yīng)力松弛等因素超出行程而損壞。

[1] 林其略, 周美芳. 管道支吊技術(shù)[M]. 上海: 上?？茖W技術(shù)出版社, 1994.

[2] 任杰, 李世明, 任飛. 330MW機組鍋爐管道支吊架故障分析及調(diào)整[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2013, 27(3): 197-199.

[3] 唐璐, 孫中元, 李英. 高溫再熱蒸汽管道下沉原因分析及處理[J]. 廣東電力, 2014, 27(1): 5-8.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范: GB 50235—2010[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2011.

[5] 宋國輝, 唐璐, 姜武, 等. 基于Caesar II的送粉管道設(shè)計分析及優(yōu)化[J]. 陜西電力, 2015, 43(6): 79-82, 87.

Analysis on Details Easily Neglected in Design of Piping Supports and Hangers in Power Plant

Tang Lu1, Song Guohui2, Li Changning1, Wang Guannan3, Wang Xuefeng3

(1. Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd., Suzhou 215004, Jiangsu Province, China;2. Jiangsu Electric Power Design Institute Co., Ltd., Nanjing 211102, China;3. Yantai Longyuan Power Technology Co., Ltd., Yantai 264006, Shandong Province, China)

As for following three typical details easily neglected in the design of constant supports and hangers, such as choosing supports and hangers without considering their weight, designing supports and hangers without adequately considering their actual sizes, and choosing the snubber without fully considering the travel margin, etc., an analysis was conducted, which may serve as a reference for the design and retrofit of piping supports and hangers.

power plant; support and hanger; design deficiency; analysis

2016-03-01

唐 璐(1983—)，男，工程師，主要從事管道設(shè)計、管道應(yīng)力分析、支吊架調(diào)整和管理振動治理工作。

E-mail: tanglu@cgnpc.com.cn

TM621.72

A

1671-086X(2016)06-0395-04