某300 MW機(jī)組低溫再熱蒸汽管道異常膨脹原因分析及防治

李 英, 唐 璐

(蘇州熱工研究院有限公司， 江蘇蘇州 215004)

管道支吊架是管道系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，起著承受管道載荷、限制管道位移和控制管道振動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)中合理布置和正確選擇支吊架，在制造中確保支吊架的性能和質(zhì)量，在安裝中準(zhǔn)確地定位、裝配和調(diào)整支吊架，對(duì)確保管道和設(shè)備安全運(yùn)行及延長(zhǎng)使用壽命有著很大的影響。管道支吊架和阻尼器的設(shè)計(jì)和安裝不合理將嚴(yán)重阻礙高溫高壓蒸汽管道的正常膨脹，危害機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。筆者對(duì)某機(jī)組管道支吊架檢查過程中發(fā)現(xiàn)低溫再熱蒸汽管道大量恒力吊架出現(xiàn)異常情況進(jìn)行分析，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查和校核管道應(yīng)力找到了管道異常膨脹的主要原因，并嘗試通過更換低溫再熱蒸汽管道入口管道阻尼器及恒力吊架來解決問題。

1 現(xiàn)場(chǎng)異常情況

某電廠1號(hào)機(jī)組鍋爐為一次中間再熱、單爐膛、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、控制循環(huán)、采用平衡通風(fēng)、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式的燃煤汽包爐；汽輪機(jī)為反動(dòng)式、單軸、雙缸雙排汽、高中壓合缸、低壓缸分流、亞臨界中間一次再熱凝汽式汽輪機(jī)。

該機(jī)組低溫再熱蒸汽管道設(shè)計(jì)溫度為349 ℃，設(shè)計(jì)壓力為4.71 MPa，管徑d=558.8 mm、管壁厚度δ=16 mm和d=812.8 mm、δ=17.5 mm，沿鍋爐左右兩側(cè)布置，具體走向和吊架布置見圖1。

圖1 低溫再熱蒸汽管道及支吊架布置圖

經(jīng)冷、熱態(tài)支吊架檢查發(fā)現(xiàn)，該管道存在嚴(yán)重膨脹異常的情況，具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

(1) 低溫再熱器聯(lián)箱入口管道向下膨脹不暢，低溫再熱器聯(lián)箱入口原設(shè)計(jì)向下膨脹125 mm，該機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)膨脹指示器冷熱態(tài)位差顯示管道熱態(tài)向下膨脹最大值為35 mm，熱態(tài)低溫再熱器聯(lián)箱入口管段坡度異常，聯(lián)箱入口管段低、兩側(cè)高。

(2) 低溫再熱器聯(lián)箱入口管道恒力吊架指示異常，剛性吊架完全失載。鍋爐側(cè)低溫再熱蒸汽管道標(biāo)高在32.3～42.3 m處管道12號(hào)至20號(hào)恒力吊架冷熱態(tài)檢查全部處于異常，指針指示幾乎未變化。其中14號(hào)、19號(hào)恒力吊架熱態(tài)吊桿彎曲，嚴(yán)重失載；11號(hào)吊架完全失載?，F(xiàn)場(chǎng)檢查記錄見表1。

表1 低溫再熱蒸汽管道支吊架檢查記錄

(3) 鍋爐側(cè)低溫再熱蒸汽管道22號(hào)和23號(hào)阻尼器熱態(tài)處于極限位置，熱態(tài)承載，嚴(yán)重漏油，完全失效，見圖2。冷態(tài)阻尼器橫擔(dān)底部有15 mm間隙，21號(hào)橫擔(dān)阻尼器漏油，熱態(tài)橫擔(dān)底部有15 mm間隙，冷態(tài)承載。

圖2 22號(hào)阻尼器熱態(tài)極限承載狀態(tài)

2 原因分析

低溫再熱蒸汽管道接入鍋爐低溫再熱器聯(lián)箱，沿鍋爐左右兩側(cè)布置。整條管道有2個(gè)垂直方向上的膨脹分界點(diǎn)，分別是4號(hào)剛性吊架和11號(hào)剛性吊架。4號(hào)立管剛性吊架作為管系上的垂直膨脹分界點(diǎn)，剛性吊架上部管道熱態(tài)向上膨脹，剛性吊架下部管道熱態(tài)向下膨脹；水平管道上的11號(hào)橫擔(dān)剛性吊架作為水平管道“蹺蹺板”的支點(diǎn)，管道一側(cè)熱態(tài)向上膨脹，另一側(cè)熱態(tài)向下膨脹。聯(lián)箱入口低溫再熱蒸汽管道熱態(tài)隨鍋爐聯(lián)箱向下膨脹。圖1中，12號(hào)至23號(hào)吊架所在管道熱態(tài)均向下膨脹，5號(hào)至10號(hào)吊架所在管道熱態(tài)均向上膨脹，1號(hào)至3號(hào)支吊架所在管道熱態(tài)向下膨脹。

2.1 阻尼器連接方式存在缺陷

液壓阻尼器是一種對(duì)速度反應(yīng)靈敏的減振裝置，借助特殊閥門控制液壓缸活塞移動(dòng)以抑制管道或設(shè)備由于受周期性或沖擊性載荷的影響而產(chǎn)生的振動(dòng)，或用來承受安全閥排放或破管引起的持續(xù)推力。管道在安全閥沖擊力的作用下以超常速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其位移速度大于設(shè)定的閉鎖速度，產(chǎn)生阻尼力，整個(gè)阻尼器變成了近于剛性的連接元件，并且將管道或設(shè)備承受的沖擊荷載傳到結(jié)構(gòu)梁上去。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，阻尼器對(duì)管道沒有任何附加作用。

在低溫再熱蒸汽管道阻尼器設(shè)計(jì)時(shí)，管部采用了橫擔(dān)阻尼的形式。22號(hào)阻尼器原始設(shè)計(jì)圖見圖3，其中吊桿和橫擔(dān)的連接方式存在缺陷，現(xiàn)場(chǎng)按此阻尼器連接形式安裝，會(huì)因?yàn)檫B接在阻尼器一側(cè)的吊桿自重，安裝后阻尼器被拉至極限位置。

圖3 22號(hào)阻尼器原始設(shè)計(jì)圖

低溫再熱器蒸汽管道受熱膨脹，21號(hào)至23號(hào)阻尼器所在管道向下膨脹15 mm時(shí)，阻尼器變成了水平管道上的剛性吊架，起不到在安全閥起跳過程中保護(hù)管道的作用，還嚴(yán)重阻礙了管道正常膨脹。

低溫再熱蒸汽管道聯(lián)箱入口處受熱時(shí)隨鍋爐聯(lián)箱向下膨脹，橫擔(dān)阻尼器變成剛性吊架，作為水平管道上的分界點(diǎn)，離聯(lián)箱較遠(yuǎn)一側(cè)管道熱位移則向上，這也是14號(hào)和19號(hào)恒力吊架完全失載、吊桿彎曲的主要原因。

2.2 恒力吊架轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)嚴(yán)重銹蝕

恒力吊架12號(hào)至14號(hào)及16號(hào)至19號(hào)由于長(zhǎng)時(shí)間處于異常狀態(tài)，冷熱態(tài)位置幾乎不變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部分嚴(yán)重銹蝕，各恒力吊架實(shí)際運(yùn)行過程中并沒有起到以恒定載荷吊掛管道的作用，而由于管道異常膨脹，實(shí)際功能類似剛性吊架。

3 工況模擬與校核

管道在工作狀態(tài)下承受的應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。一次應(yīng)力是指管道在內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力；二次應(yīng)力是指管道在熱脹、冷縮或其他位移受約束時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。管道在工作狀態(tài)下，一次應(yīng)力σL和二次應(yīng)力σE必須滿足以下條件[1]：

σL=pDi2/(Do2-Di2)+0.75iMA/W≤1.0[σ]t

(1)

(2)

式中：p為設(shè)計(jì)壓力， MPa；Do為外徑，mm；Di為內(nèi)徑，mm；i為應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)；MA為自重和其他持續(xù)外載作用在管子橫截面上的合成力矩，N·mm；W為管子截面抗彎矩，mm3；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；f為熱脹應(yīng)力的減小系數(shù)；[σ]20和[σ]t為鋼材在常溫和設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力， MPa。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了建模計(jì)算，低溫再熱蒸汽管道Ceasar II計(jì)算模型見圖4。在計(jì)算工況中，將22號(hào)和23號(hào)阻尼器設(shè)置成帶15 mm間隙的+Z向限位。計(jì)算工況和原設(shè)計(jì)的熱位移數(shù)據(jù)對(duì)比情況見表2，原設(shè)計(jì)的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

圖4 低溫再熱蒸汽管道Ceasar II計(jì)算模型圖

吊點(diǎn)號(hào) 計(jì)算工況熱位移 原設(shè)計(jì)熱位移 XYZXYZ 118-759710-4401228-361928-6-1171362-54562-22-1311475-362073-13-1141533-50-2536-46-123161-33222-3-11417-25-4315-24-15-12118-59-67-4-57-38-13819-74-5120-71-31-12120-32-51-28-35-48-1242165-301667-14-1092253-38-2656-26-11423-58-45-14-60-33-117

從表2的數(shù)據(jù)可以看出14號(hào)和19號(hào)吊點(diǎn)的熱位移向上，與現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)檢查情況相符：實(shí)際吊架所在管道沒有向下膨脹，而是由于阻尼器剛性吊架作用，阻礙管道膨脹，此處的管道被提著向上膨脹。21號(hào)阻尼器所在管道也向上膨脹，這也是阻尼器橫擔(dān)底部脫空的原因。同樣，11號(hào)剛性吊架處管道也被提著向上膨脹，吊架完全不受力。

從表3可以看出：計(jì)算工況下低溫再熱蒸汽管道最大應(yīng)力處二次應(yīng)力處于超標(biāo)狀態(tài)，超過了規(guī)范要求的許用應(yīng)力。由于二次應(yīng)力具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。只要不反復(fù)加載就不會(huì)導(dǎo)致管道破壞，這也是二次應(yīng)力長(zhǎng)期超標(biāo)而暫未發(fā)生事故的原因。但必須對(duì)超標(biāo)部位重點(diǎn)監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的問題。

4 處理方案及結(jié)果

處理方案為：(1)重新設(shè)計(jì)管部橫擔(dān)連接形式，將阻尼器橫擔(dān)連接處由原先的螺紋吊桿連接改成支座連接，使阻尼器吊桿自重由橫擔(dān)承受。更換嚴(yán)重漏油失效的21號(hào)、22號(hào)、23號(hào)三組阻尼器，并調(diào)整阻尼器的初始位置，確保阻尼器在冷熱態(tài)均處于自由狀態(tài)。(2)重新采購(gòu)并更換編號(hào)12號(hào)至20號(hào)的9套恒力吊架。

由于管道長(zhǎng)期處于異常膨脹狀態(tài)，無法將管道完全提升至管道原始冷態(tài)位置附近。經(jīng)治理后，管道膨脹趨勢(shì)與原設(shè)計(jì)一致，阻尼器冷熱態(tài)均處于自由狀態(tài)，恒力彈簧吊架在熱態(tài)和冷態(tài)指示均在正常范圍，管道膨脹異常問題得到有效解決。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者通過對(duì)機(jī)組低溫再熱蒸汽管道異常膨脹、阻尼器和恒力吊架嚴(yán)重失效問題進(jìn)行分析和改造后提出以下結(jié)論：

(1) 利用Ceasar Ⅱ?qū)?shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行了建模計(jì)算，得出的各吊架和阻尼器熱膨脹位移與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)所反映出的異常膨脹狀態(tài)相吻合。由于應(yīng)力校核二次應(yīng)力超標(biāo)，建議電廠對(duì)超標(biāo)處的彎頭部位進(jìn)行重點(diǎn)金屬監(jiān)督。

(2) 更換阻尼器和恒力吊架，治理后管道異常膨脹問題得以解決。

(3) 低溫再熱器聯(lián)箱入口水平管道的阻尼器宜設(shè)計(jì)成單個(gè)吊點(diǎn)的形式。阻尼器安裝完畢后，必須將阻尼器調(diào)整至自由狀態(tài)。

(4) 充分重視管道支吊架的在役檢查，尤其是管道初期受熱后的管道支吊架檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理存在的問題和隱患[2]。