某電廠高溫再熱蒸汽管道下沉原因分析及治理

王彪，唐遠富，秦旭明

(湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南長沙410004)

高溫再熱蒸汽管道屬于火電廠四大管道之一，其管徑及壁厚大，蒸汽運行參數(shù)高，當出現(xiàn)異常情況時，會嚴重影響機組的安全運行[1]。支吊架是管道系統(tǒng)中的重要組成部分，具有安全承受管道荷載，合理約束管道位移，控制管道端口對所連接設(shè)備的推力和扭矩等功能[2]。如果支吊架設(shè)計不當，不能承受管道質(zhì)量等引起的荷載，將導致管道下沉，管道一次應力增大甚至超標。

1 設(shè)備及支吊架缺陷

某電廠2×330 MW亞臨界燃煤發(fā)電機組，其高溫再熱蒸汽管道設(shè)計溫度為545℃，設(shè)計壓力為4.28 MPa，材質(zhì)為A335-P22，熱位移向上，管道及支吊架布置如圖1所示。機組在冷、熱態(tài)檢查過程中，發(fā)現(xiàn)高溫再熱蒸汽管道冷態(tài)時8號、9號恒力吊架指針處于下極限位置，而熱態(tài)時5—9號恒力吊架及13號恒力吊架指針位置相對于冷態(tài)基本不變。結(jié)合現(xiàn)場測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高溫再熱蒸汽管道有嚴重下沉現(xiàn)象，最大下沉量約400 mm。

圖1 高溫再熱蒸汽管道支吊架布置圖

2 管道計算校核

管道在工作狀態(tài)下承受的應力分為一次應力和二次應力。一次應力是指管道在內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載作用下所產(chǎn)生的應力；二次應力是指管道在熱脹冷縮、端點附加位移、冷緊等位移受約束時產(chǎn)生的應力[3]。

依據(jù)DL/T 5366—2014《發(fā)電廠汽水管道應力計算技術(shù)規(guī)程》[4]，基于CAEsarⅡ管道專用計算軟件，對高溫再熱蒸汽管道進行應力及支吊架選型校核計算。計算結(jié)果表明，高溫再熱蒸汽管道一次應力和二次應力合格，但13號恒力吊架工作荷載校核值與設(shè)計值相差較大，其校核荷載為63 547 N，而設(shè)計荷載為55 216 N，設(shè)計值比校核值小約15%，其余支吊架校核結(jié)果與設(shè)計值基本一致。支吊架設(shè)計荷載偏小會導致其無法承載管道質(zhì)量而使管道下沉。因此，13號恒力吊架選型錯誤是導致管道下沉的一個原因。

3 管道壁厚測量及相應計算對比

在機組停機后，對不同規(guī)格的直管段和彎頭進行壁厚測量，測量時在同一環(huán)形面分四個不同方向每隔90°測一個點，測量后取平均值，結(jié)果見表1。測量結(jié)果表明，管道彎頭壁厚實際值與設(shè)計值相差很大，最大處超過設(shè)計值50.7%，直管段實際值與設(shè)計值基本一致。

表1 高溫再熱蒸汽管道壁厚測量結(jié)果

在設(shè)計壁厚和實測壁厚下分別對管道進行應力和冷位移計算，由于管道下沉情況主要在鍋爐側(cè)，且冷、熱位移較大處也在鍋爐側(cè)，所以取15號剛性吊架至爐頂再熱器出口為例，其結(jié)果見表2和表3所示。從表2可知，實測壁厚的一次應力較設(shè)計壁厚有明顯提高，而二次應力明顯減小，但都在合格范圍內(nèi)。從表3可知，校核冷位移基本與設(shè)計冷位移一致，而實測壁厚下冷位移較設(shè)計冷位移明顯增大，最大處超過80 mm，因而管道壁厚與設(shè)計值不一致是導致管道下沉的重要原因。

表2 設(shè)計壁厚及實測壁厚下一次應力與二次應力計算結(jié)果 kPa

表3 設(shè)計壁厚及實測壁厚下冷位移計算結(jié)果mm

續(xù)表3

4 恒定度測試

恒力吊架用于管道熱位移較大的位置，在管道熱脹冷縮的過程中荷載基本保持不變。NB/T 47038—2013《恒力彈簧支吊架》規(guī)定，恒力吊架的恒定度不大于6%[5]，其定義如下:

該管道多組恒力吊架冷、熱態(tài)指針指示基本不變。在機組停機后，采用DH5909N動態(tài)信號分析儀及KD4150S拉壓力傳感器對6號和8號恒力吊架進行恒定度測試。其中6號恒力吊架工作荷載為64 993 N，8號恒力吊架工作荷載為61019 N，均為雙拉桿恒力吊架。將恒力吊架行程分為10等分進行荷載測量，其荷載曲線如圖2所示，恒定度計算結(jié)果見表4。從表4可知，6號恒力吊架兩側(cè)恒定度分別為12.7%和11.1%，8號恒力吊架兩側(cè)恒定度分別為8.3%和 7.3%，都大于 NB/T 47038—2013《恒力彈簧支吊架》規(guī)定的6%。因此，這兩組恒力吊架性能是不合格的。

圖2 高溫再熱蒸汽管道恒定度測試曲線

表4 恒力吊架恒定度測試結(jié)果匯總

5 原因分析及處理

根據(jù)對該管道的冷、熱態(tài)檢查，管道計算校核、壁厚測量和恒定度測試，高溫再熱蒸汽管道異常下沉主要有如下幾個方面的原因。經(jīng)過計算校核，13號恒力吊架設(shè)計荷載偏小，導致該處吊架無法承受管道質(zhì)量。另一方面，管道壁厚與設(shè)計壁厚不符，特別是彎頭厚度，最大處偏厚超過50%，而管道支吊架的設(shè)計是按照設(shè)計壁厚計算所得，這會導致支吊架的設(shè)計荷載偏小而無法承受管道應有重量。最后，經(jīng)過恒定度測試，發(fā)現(xiàn)所抽查的恒力吊架恒定度都不符合標準要求。電廠恒力吊架熱位移都為向上熱位移，從圖2的恒定度測試曲線可知，當恒力吊架在向上位移時，即放松過程中，荷載會大幅降低，對管道的提升量減小，即冷、熱態(tài)時恒力吊架指針指示基本不變，因此，管道熱態(tài)整體會發(fā)生相對向下沉降。

通過以上分析，更換了兩組恒力吊架和新增了一組恒力吊架，即對6號恒力吊架和13號恒力吊架重新選型，分別將工作荷載改為80 000 N和63 500 N，在9號和10號兩組恒力吊架之間加一組恒力吊架，工作荷載為26 200 N。在此基礎(chǔ)上，對各恒力吊架的荷載調(diào)整螺栓進行相應調(diào)整，使各支吊架受力合理，并調(diào)整法蘭螺絲，使冷態(tài)時指針指示于90%位置。按此方案實施，根據(jù)實測壁厚進行計算，其一次應力為32 069.2 kPa，二次應力為121 524.6 kPa，均在許用應力范圍內(nèi)。相對于未整改前，其一次應力得到明顯減小，二次應力基本不變。

在機組停機期間，按照DL/T 616—2006《火力發(fā)電廠汽水管道與支吊架維修調(diào)整導則》[6]，對管道支吊架進行了調(diào)整施工。調(diào)整后冷、熱態(tài)復檢結(jié)果表明，高溫再熱蒸汽管道支吊架承載及熱位移達到或接近設(shè)計值，管道下沉現(xiàn)象得到明顯改善，消除了機組及管道安全運行的隱患。

6 結(jié)論與建議

本文基于高溫再熱蒸汽管道出現(xiàn)的下沉現(xiàn)象，找出了導致高溫再熱蒸汽管道下沉的三個主要原因，即支吊架選型荷載偏小、管道壁厚偏大及恒力吊架恒定度不符合要求。經(jīng)過綜合分析，提出了解決方案，并按方案施工后，使管道受力基本正常，下沉現(xiàn)象得到明顯改善。

在機組投運前，應請專業(yè)人員對管道支吊架狀態(tài)進行全面、系統(tǒng)地檢驗，并應特別注重管道壁厚、保溫層厚度及管道附件重量的核實，并進行應力校核。機組投運后，管道支吊架在運行過程中狀態(tài)會發(fā)生變化，應按照DL/T 616—2006《火力發(fā)電廠汽水管道與支吊架維修調(diào)整導則》的要求，加強對支吊架的日常監(jiān)督與維護。