某燃?xì)廨啓C(jī)電廠余熱鍋爐再熱器1出口集箱異常位移原因分析及對(duì)策研究

虞 輝，章 恂，濮鴻威

(華能南京燃機(jī)發(fā)電有限公司，南京 210046)

1 概述

某電廠1號(hào)395 MW燃?xì)鈾C(jī)組，余熱鍋爐型號(hào)為Q2384【05-286(42.7)-10(0.4)·66.5(296.5)，為高中低三壓、無(wú)補(bǔ)燃、臥式、中間再熱、自然循環(huán)余熱鍋爐。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 余熱鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

支吊裝置是管道系統(tǒng)的重要組成部分，支吊裝置起到控制管道位移量和承受管道荷載的重要作用。管道系統(tǒng)的應(yīng)力分布與其大小受支吊架安裝位置、狀態(tài)、規(guī)格類型的直接影響，其中支吊架質(zhì)量的優(yōu)劣、承載合理性等都影響到管道的安全運(yùn)行和使用的年限。

如果管道支吊架在其設(shè)計(jì)、安裝過(guò)程中存在問題，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行之后，管線的形態(tài)、位置以及支吊架彈簧、吊桿等部件的性能均會(huì)發(fā)生一定的變化。若產(chǎn)生支吊架部件的破壞、過(guò)度承載、位移受限或欠載等問題，均會(huì)使管道局部區(qū)域的應(yīng)力變化、對(duì)端點(diǎn)設(shè)備推力產(chǎn)生變化。這些情況將會(huì)嚴(yán)重地影響設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性。特別是當(dāng)機(jī)組容量的增大，管道的直徑、壁厚隨之增大，發(fā)生問題的可能性和嚴(yán)重性也隨之增加，對(duì)管道安裝、運(yùn)行、維護(hù)、監(jiān)督提出了更高的要求。

該電廠#1號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)在2006年投產(chǎn)以來(lái)未對(duì)各大主要管道的支吊架受力狀況及運(yùn)行情況進(jìn)行系統(tǒng)性的檢驗(yàn)、分析、調(diào)整，較多支吊架存在缺陷，尤其是再熱器1出口集箱垂直方向熱位移異常，集箱一端向下熱位移不足，另一端反向向上翹起彎曲，存在影響管道使用壽命和安全生產(chǎn)運(yùn)行的重大隱患。根據(jù)DL/T616—2006[1]規(guī)定：主蒸汽管道、高低溫再熱蒸汽管道、高壓給水管道這些重要管道在投運(yùn)30 000小時(shí)至40 000小時(shí)之后每次的大修，都應(yīng)對(duì)管道的支吊架進(jìn)行全面的檢驗(yàn)、校核和調(diào)整，從而及時(shí)解決管道支吊架在設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的問題，及時(shí)消除因?yàn)橹У跫苁芰Σ缓侠淼仍虍a(chǎn)生的機(jī)組安全運(yùn)行隱患。電廠利用大修機(jī)會(huì)對(duì)1號(hào)機(jī)組再熱器1出口集箱支吊架進(jìn)行檢驗(yàn)、改造、調(diào)整，從而來(lái)改善管道與支吊架的運(yùn)行狀況，達(dá)到設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

2 支吊架狀態(tài)檢驗(yàn)

支吊架狀態(tài)的檢查、校驗(yàn)和調(diào)整主要涵蓋四個(gè)方面的內(nèi)容；首先是審核查閱資料，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，對(duì)支吊架逐一進(jìn)行核對(duì)，檢查各類支吊架的型號(hào)、熱位移值的變化和工作參數(shù)等數(shù)據(jù)是否和原始設(shè)計(jì)符合；其次，檢查支吊架，查看彈簧支吊架是否存在過(guò)載或欠載的情況，恒力彈簧支吊架內(nèi)部結(jié)構(gòu)件有無(wú)卡死現(xiàn)象，記錄冷態(tài)與熱態(tài)的時(shí)候支吊架指針位置和熱位移量的變化情況，依據(jù)這些內(nèi)容判斷、確認(rèn)支吊架的運(yùn)行狀況；再次，計(jì)算管系的應(yīng)力，校核支吊架的配備對(duì)管系應(yīng)力所產(chǎn)生的影響，從而提供給支吊架調(diào)整的理論支持；最后，全面分析設(shè)計(jì)資料和支吊架檢查檢驗(yàn)、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，提出針對(duì)性地改進(jìn)方案并進(jìn)行整改。檢查結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見表2。

再熱器1出口集箱管道支吊架的主要問題如下：

1) 再熱器1出口集箱垂直方向熱位移異常，集箱一端向下熱位移不足，另一端反向向上翹曲。

2) 恒力支吊架的位移指示器在極限位置受阻、卡死。

3) 彈簧支吊架承載存在欠載、過(guò)載現(xiàn)象。

表2 再熱器1出口集箱支吊架檢查、校驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 組

2.1 管道原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)核

再熱器1出口集箱主要技術(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)見表3。

表3 再熱器1出口集箱計(jì)算數(shù)據(jù)參數(shù)

為了校核再熱器1出口集箱的最初設(shè)計(jì)，依據(jù)這些管道的基本布置與設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)管系進(jìn)行了新的靜態(tài)核算，從而得出了支吊架的吊點(diǎn)位移、荷重分配狀態(tài)。

2.2 安裝情況復(fù)核

根據(jù)再熱器1出口集箱原始設(shè)計(jì)技術(shù)資料，對(duì)每一只支吊架的型號(hào)、冷態(tài)荷重、熱態(tài)荷重及安裝位置進(jìn)行核對(duì)。最后的校核結(jié)果表明，最初施工安裝與設(shè)計(jì)相符合。

2.3 支吊架狀態(tài)檢驗(yàn)

再熱器1出口集箱一共布置了5組支吊架，其中2組恒力吊架、1組彈簧吊架、2組限位支架。

檢驗(yàn)結(jié)果表明：再熱器1出口集箱一共有3組支吊架存在不同程度的問題，占所有支吊架數(shù)的60%。問題如下：

1) #1單彈簧吊架過(guò)壓縮，吊架過(guò)載。

2) #3單恒力吊架，熱態(tài)時(shí)恒力吊架位移指針指示于50%的位置，冷態(tài)時(shí)恒力吊架位移指針卡死于上極限位置。吊點(diǎn)處管道向下熱位移明顯不足。

3) #5單恒力吊架，冷態(tài)及熱態(tài)時(shí)恒力吊架位移指針都卡死于上極限的位置，熱態(tài)時(shí)吊桿松弛，吊架失載，吊點(diǎn)附近的膨脹指示器顯示熱態(tài)時(shí)集箱反向向上熱位移。

3 計(jì)算與分析

3.1 管道應(yīng)力驗(yàn)算方法

管道的靜力計(jì)算是在確定溫度、自重等外載力作用下，分析管道的應(yīng)力分布、形態(tài)變化和支撐結(jié)構(gòu)的約束反力等，然后以此為基準(zhǔn)確定整個(gè)管系的薄弱點(diǎn)和關(guān)鍵部位，計(jì)算并評(píng)估管系的使用安全性、可靠性。

采用CAESAR II 2011軟件對(duì)四大汽水管道及再熱器1出口集箱進(jìn)行應(yīng)力校核計(jì)算，該軟件符合ASME B 31.1等相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，在管道靜力計(jì)算中得到了非常廣泛應(yīng)用。

為了便于分析和計(jì)算，依據(jù)力學(xué)中力的獨(dú)立性原理，將管道應(yīng)力分成兩類，分別是由管道自身重量、內(nèi)部壓力和其他持續(xù)外部載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和(此為一次應(yīng)力)與由熱脹冷縮及其他位移受到約束限制而產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力范圍(此為二次應(yīng)力)。

管道因?yàn)樵诠ぷ?、運(yùn)行狀態(tài)下，由于自身重量、內(nèi)部壓力和其他持續(xù)外部載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力，不得超過(guò)鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的基本許用應(yīng)力。

(1)

式中:p—設(shè)計(jì)壓力，MPa；Do—管道外徑，mm；Di—管道內(nèi)徑，mm；MA—自身重量和其他持續(xù)外載荷作用在管道橫截面上所合成的力矩，N·mm；W—管道截面抗彎矩，mm3；[σ]t—鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；i—應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；бL—由于內(nèi)部壓力、自身重量和其他持續(xù)外載荷所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和，MPa。

管道由熱脹冷縮和其它位移受約束力而產(chǎn)生的熱應(yīng)力范圍必須滿足以下計(jì)算式：

σE=iMC/W≤f[1.25 [σ]20+0.2 5[σ]t+([σ]t-σL)]

(2)

其中：[σ]20—管道鋼材在20 ℃時(shí)的許用應(yīng)力，MPa；MC—按照全補(bǔ)償值與鋼材在20 ℃時(shí)彈性模量計(jì)算的，熱脹所引起的合成力矩范圍，N·mm；σE—熱脹應(yīng)力范圍，MPa；σL—由于內(nèi)部壓力、自身重量和其他持續(xù)外載荷所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和，MPa；f—應(yīng)力范圍的減小系數(shù)。

預(yù)期電廠在運(yùn)行年限之內(nèi)，管道在全溫度周期性中的交變次數(shù)N和系數(shù)f有關(guān)。

當(dāng)N≤2 500時(shí)，f=1；當(dāng)N>2 500時(shí)，f=4.78N-0.2。

3.2 管系應(yīng)力計(jì)算對(duì)象及計(jì)算參數(shù)

本文計(jì)算對(duì)象為再熱器1出口集箱。計(jì)算過(guò)程中對(duì)管道的冷緊力、三通以及閥門等剛性管件均作了相應(yīng)處理或簡(jiǎn)化。在管系應(yīng)力的計(jì)算中，需要有以下四類的基本參數(shù)：

1) 管材性能，包括彈性模量、材料許用應(yīng)力及線性膨脹系數(shù)等；

2) 運(yùn)行工況，包括運(yùn)行中溫度、壓力及其波動(dòng)范圍值等；

3) 各種管道的幾何尺寸，彎頭、三通等管件的形狀及尺寸與類型等；

4) 管道的保溫狀況。

管道計(jì)算所需的主要計(jì)算參數(shù)列于表4，各參數(shù)為：t—計(jì)算溫度，℃；P—計(jì)算壓力，MPa；α—熱膨脹系數(shù)，10-6/℃；E20—鋼材在20℃時(shí)彈性模量，GPa；Et—鋼材在計(jì)算溫度下彈性模量，GPa；[σ]20—鋼材在20 ℃時(shí)基本許用應(yīng)力，MPa；[σ]t—鋼材在計(jì)算溫度下的許用應(yīng)力，MPa；R—彎管彎曲半徑，mm。

表4 管道主要管材計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

再熱器1出口集箱應(yīng)力計(jì)算時(shí)支吊架的計(jì)算編號(hào)和施工圖編號(hào)均保持一致。再熱器1出口集箱的最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5，其中同時(shí)給出了一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的許用值，最大應(yīng)力點(diǎn)的位置見圖1。

圖1 再熱器1出口集箱支吊架與管系布置圖

由表5可以知，再熱器1的出口集箱支吊架經(jīng)過(guò)調(diào)整后，管系中的各支吊架均處于正常的狀態(tài)，且各次應(yīng)力也均滿足了管道的安全運(yùn)行要求。其中第2類管材的(Φ168.3×7.11 mm)最大一次應(yīng)力最高，為許用值的47.88%(最大應(yīng)力在S3點(diǎn)處)，第1類管材的(Φ609.6×17.48 mm)最大二次應(yīng)力最高，為許用值的22.98%(最大應(yīng)力在S2點(diǎn)處)。

由表6可知，校核計(jì)算結(jié)果表明，#1單彈簧吊架、#3單恒力吊架及#5單恒力吊架工作載荷均比原設(shè)計(jì)值小。由表7可知，支吊架在整改前，#3單恒力吊架處管道向下的熱位移量不足，#5單恒力吊架向上反向熱位移大；支吊架整改后，#3單恒力吊架及#5單恒力吊架均向下熱位移，管道熱位移狀況得到了有效改善。分析認(rèn)為，導(dǎo)致管道熱位移異常的原因之一是原設(shè)計(jì)的支吊架載荷量過(guò)大，另一方面是恒力支吊架恒定度較大，當(dāng)管道向下熱位移時(shí)，#3單恒力吊架載荷增加過(guò)多，致使#5單恒力吊架處管道反向向上翹起、彎曲。

圖2 再熱器1出口集箱應(yīng)力計(jì)算校核模型圖

4 對(duì)策研究

依據(jù)支吊架的檢查、校核結(jié)果與管系的計(jì)算結(jié)果報(bào)告，整體分析和評(píng)估后提出支吊架調(diào)整、改造的方案。根據(jù)管道和支吊架所出現(xiàn)的問題，區(qū)分性質(zhì)。依次采取下列主要的調(diào)整、改造辦法：

1) 對(duì)設(shè)計(jì)中不合理的支吊架進(jìn)行重新計(jì)算以及更換處理；

2) 對(duì)承載狀態(tài)不正確(過(guò)載、欠載、失載)的彈簧和剛性吊架進(jìn)行調(diào)整處理。

以上措施的實(shí)施，將使支吊架處于正常的設(shè)計(jì)工作狀態(tài)，管道應(yīng)力的合理分布將確保管線的熱態(tài)、冷態(tài)荷載的分布和熱膨脹滿足設(shè)計(jì)計(jì)算的要求，最終實(shí)現(xiàn)管系的長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目的。

表5 再熱器1出口集箱主要管種最大應(yīng)力計(jì)算校核結(jié)果

表6 再熱器1出口集箱恒力支吊架工作載荷量對(duì)比表

表7 再熱器1出口集箱恒力支吊架整改前后的熱位移量對(duì)比表 mm

注：實(shí)際熱位移均分別從安裝于#3、#5吊架管部的膨脹指示器上讀數(shù)所得。

1號(hào)機(jī)組再熱器1出口集箱調(diào)整細(xì)節(jié)見調(diào)整方案表8。

1) 坐標(biāo)系約定如下：從始建端指向擴(kuò)建端方向?yàn)檎较騒，從汽輪機(jī)指向鍋爐方向?yàn)檎较騔，垂直向上為正方向Y。

2) 表8中吊點(diǎn)參數(shù)為原設(shè)計(jì)值。

3) 支吊架狀態(tài)欄中恒力彈簧吊架的位移指針刻度位置規(guī)定為：恒力吊架彈簧由極致松弛位置到極致拉緊位置相對(duì)應(yīng)的刻度為0%到100%。恒力彈簧支吊架的上極限對(duì)應(yīng)彈簧極致松弛位，下極限對(duì)應(yīng)彈簧極致拉緊位。

表8 再熱器1出口集箱支吊架調(diào)整方案

5 熱態(tài)復(fù)查

改造完成后機(jī)組重新啟動(dòng)正常運(yùn)行，對(duì)再熱器1出口集箱支吊架進(jìn)行了全面熱態(tài)復(fù)查、檢驗(yàn)。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)改造以后支吊架的運(yùn)行狀態(tài)得到了明顯改善，支吊架的承載均正常，管道熱位移量正常，能夠滿足機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行要求，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期目的。

6 結(jié)論

1) 支吊架在整改前，再熱器1出口集箱支吊架工作狀態(tài)異常，嚴(yán)重影響設(shè)備的長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，突出的問題是恒力吊架位移指針卡死在極限位置、彈簧支吊架過(guò)載。

2) 支吊架在整改前，再熱器1出口集箱一端向下熱位移量不足，另一端反向向上翹起彎曲；支吊架整改后，管道的垂直熱位移狀態(tài)得到了明顯的改善，能滿足管道正常運(yùn)行的要求；應(yīng)力校核計(jì)算結(jié)果表明，支吊架的原設(shè)計(jì)載荷偏大是再熱器1出口集箱熱位移發(fā)生異常的主要原因。