某廠600 MW 機組汽水管道應(yīng)力分析及支吊架調(diào)整

郭永峰， 季 誠， 王英俊

（1.大唐國際運城發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 運城 044602；2.華北電力科學(xué)研究院，北京 100045；3.北京華科同和科技有限公司，北京 100045）

1 項目簡介

某電廠一期工程為2×600 MW 空冷脫硫燃煤發(fā)電機組，2007 年11 月2 號機組投運。該鍋爐型號為HG2080/17.5-YM9，是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進美國ABB-CE 燃燒工程公司技術(shù)設(shè)計、制造，屬亞臨界參數(shù)控制循環(huán)汽包爐，主要設(shè)計參數(shù)見表1。

2 支吊架調(diào)整技術(shù)概述

管道支吊架調(diào)整技術(shù)專門研究和解決承受管道載荷、約束管道冷熱態(tài)位移、控制管道振動等方面的問題，研究管道支承、懸吊、限位、固定及減震、緩沖以及管道應(yīng)力水平。管道支吊架對于控制管系的應(yīng)力水平及其對設(shè)備的推力和力矩，保證管道和設(shè)備長期安全運行具有重要意義。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

在役管道支吊架狀態(tài)異常會對管道安全運行產(chǎn)生不良影響：一是管道受力不均或不能按設(shè)計進行膨脹；二是改變管道對設(shè)備的推力力矩，危害管道自身及其連接；三是增加管道局部應(yīng)力，降低管道壽命；四是對管道振動的控制能力減弱，可能導(dǎo)致設(shè)備疲勞破壞。

3 支吊架檢驗調(diào)整工作的流程和主要內(nèi)容

支吊架檢驗調(diào)整應(yīng)遵循相關(guān)的工作流程，主要內(nèi)容有[1-2]以下幾方面。

a） 相關(guān)資料收集、審查與分析，圖紙、參數(shù)的核對及記錄。

b） 機組運行時，對支吊架進行熱態(tài)檢驗，詳細(xì)記錄運行狀態(tài)，對重大缺陷拍照。

c） 對于可以確定的損失或失效部件，根據(jù)需要提出采購清單。

d） 在機組停運、管道金屬溫度冷卻至接近環(huán)境溫度后，開始支吊架冷態(tài)檢查。

e） 根據(jù)管道的設(shè)計參數(shù)，應(yīng)用專業(yè)軟件對四大管道的管系應(yīng)力進行復(fù)核與評估，檢查是否存在管道設(shè)計或支吊架選型錯誤，如有應(yīng)糾正。根據(jù)管道及支吊架系統(tǒng)的實際狀態(tài)，計算實際熱態(tài)運行時的管系應(yīng)力，找出最大應(yīng)力和部位，評估管道運行的安全性。如果需要，利用應(yīng)力分析軟件對不合理的設(shè)計或損壞的支吊架進行改進。

f） 制定管道支吊架調(diào)整方案。

g） 在機組檢修期間，組織專業(yè)人員完成支吊架更換與維修調(diào)整施工。

h） 機組高負(fù)荷穩(wěn)定運行后，開展全面復(fù)查。若個別支吊架荷載超過規(guī)程允許范圍，可視具體情形在熱態(tài)或冷態(tài)下進行微調(diào)，直到全部符合要求。

4 支吊架現(xiàn)場檢查

以冷再管道為例進行支吊架現(xiàn)場檢查，冷再管道的軸測情況如圖1 所示。

圖1 冷再管道及支吊架軸測圖

2 號機組投運以后，四大管道及汽水系統(tǒng)集箱支吊架出現(xiàn)了一系列問題，嚴(yán)重影響機組安全和穩(wěn)定運行。限于篇幅，本文只列出冷再管道的部分檢查結(jié)果（見表2）。

表2 冷再管道檢查發(fā)現(xiàn)的主要缺陷

5 管系應(yīng)力分析

依據(jù)收集到的相關(guān)設(shè)計、安裝資料，采用專用軟件對管系應(yīng)力進行計算。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[3]。一次應(yīng)力是指管道在內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載（包括支吊架反力等） 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產(chǎn)生的應(yīng)力。

5.1 四大管道主要設(shè)計參數(shù)

原設(shè)計各管道用于計算的主要參數(shù)見表3。

鑒于檢驗、分析過程的類似性和數(shù)據(jù)容量龐大，因篇幅所限，本文以冷再管道為重點，其他不再贅述。

5.2 再熱冷段管系設(shè)計應(yīng)力復(fù)核

采用專用有限元分析軟件進行建模和分析[4]，得到設(shè)計狀態(tài)下再熱冷段管道的綜合應(yīng)力。為便于分析，只列出直接相關(guān)的計算數(shù)據(jù)（見表4）。

由計算結(jié)果可知，管系的應(yīng)力狀態(tài)、管道最大應(yīng)力與其許用應(yīng)力的比值，均在合格范圍內(nèi)。結(jié)合原有管系的熱態(tài)位移，可以看出，原設(shè)計滿足管道的安全運行需要，管系的自補償能力良好，管線設(shè)計合理。如果各管道系統(tǒng)的支吊架狀態(tài)正常，其各次應(yīng)力均能滿足管道安全運行需要。

表3 四大管道應(yīng)力計算主要參數(shù)

表4 冷再管道設(shè)計復(fù)核結(jié)果

5.3 再熱冷段管系實際工作狀態(tài)應(yīng)力計算

檢查發(fā)現(xiàn)，機組實際運行時，存在一系列缺陷。恒力吊架壓死（未拔定位銷等） 按剛性吊架計算，吊架脫空按無承載計算等，帶入管系的實際工作狀態(tài)進行計算。機組熱態(tài)運行時，再熱冷段管道的關(guān)鍵計算結(jié)果（實際綜合應(yīng)力） 如表5 所示。

在實際情形下，由于存在支吊架缺陷，導(dǎo)致管系的最大應(yīng)力和最大位移、它們的位置和大小，與原先設(shè)計相比，都發(fā)生了很大變化。機組運行時實際的最大應(yīng)力發(fā)生在冷再與鍋爐廠設(shè)計分界點，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了材料的許用應(yīng)力。管系計算應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值達(dá)到了2.81，而設(shè)計狀態(tài)下最大只有0.659。一般而言，由于再熱聯(lián)箱和冷再管道的結(jié)構(gòu)不同、強度差異較大，接口處應(yīng)力超標(biāo)可能直接導(dǎo)致接口焊縫及焊接影響區(qū)首先失效。所以，管系的實際支撐狀態(tài)給管系安全帶來了嚴(yán)重隱患，必須立即按照相關(guān)規(guī)程進行調(diào)整，恢復(fù)到安全水平的初始設(shè)計[5]。

其他管系的計算和具體調(diào)整，與此類似；因篇幅所限，不再贅述。

表5 冷再管道的實際工作應(yīng)力

6 調(diào)整前后的對比

a） 檢查結(jié)果：主蒸汽管道401 號雙彈簧吊架橫擔(dān)偏斜。調(diào)整措施：拆除管道保溫，調(diào)平吊架橫擔(dān)至水平狀態(tài)并收緊管夾螺栓。

b） 檢查結(jié)果：主蒸汽管道405 號恒力吊架行程下極限；調(diào)整措施：旋轉(zhuǎn)花籃螺母使行程指示90%位置。

c） 檢查結(jié)果：主給水管道2 號3 雙恒力吊架行程上極限；調(diào)整結(jié)果：已經(jīng)調(diào)整花籃螺母，使恒力吊架行程在10%位置。

d） 檢查結(jié)果：再熱冷段管道48 號雙彈簧吊架備帽未鎖緊；處理結(jié)果：已經(jīng)鎖緊備帽。

e） 檢查結(jié)果：主給水管道17 號彈簧吊架管夾上螺帽缺失；處理方案：重新安裝管夾螺帽，鎖緊螺帽。

7 結(jié)論

本次四大管道支吊架檢驗調(diào)整，主要解決的問題有恒力吊架行程已達(dá)上下極限、行程偏大，雙拉桿吊架橫擔(dān)傾斜嚴(yán)重，吊架備帽未鎖緊，管夾螺栓松脫，吊桿缺失導(dǎo)致支吊架功能喪失，阻尼器工作范圍異常等。基于管系應(yīng)力計算分析的結(jié)果進行相關(guān)調(diào)整，使得管系應(yīng)力恢復(fù)到安全水平，提高了機組安全性。機組啟動運行后熱態(tài)復(fù)查，管系運行良好，支吊架狀態(tài)正常。

火力發(fā)電廠汽水管道在安裝和運行中都會出現(xiàn)不同程度的失載、過載甚至失效等缺陷，這些問題如不及時得到解決，將會嚴(yán)重危及發(fā)電機組的安全運行[6]。因此，必須加強對汽水系統(tǒng)管道，特別是“四大管道”支吊架的檢驗和調(diào)整，結(jié)合機組每次檢修進行全面檢查。根據(jù)機組的實際情況進行管系應(yīng)力計算和分析，是評估管道安全的重要手段。