摘 要:基于火電廠汽水管道熱脹位移異常的重要危害,總結(jié)了以往相關(guān)項(xiàng)目的原因分析及處 理經(jīng)驗(yàn),歸納了可能影響熱脹位移異常的主要因素;并結(jié)合管道應(yīng)力計(jì)算分析進(jìn)行了全面的危害性 評(píng)估,建立了完整的汽水管道熱脹位移異常評(píng)估及處理流程;最后進(jìn)行了典型案例分析,為以后類 似故障的處理提供參考.案例分析結(jié)果顯示:管道支吊架實(shí)際工作載荷與實(shí)際需求載荷偏差較大, 是引起大部分管道熱脹位移異常的主要原因. 

關(guān)鍵詞:汽水管道;熱脹位移;異常;支吊架;載荷偏差 

中圖分類號(hào):TM６２１．４         文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A              文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０４Ｇ０２５６Ｇ０６

火電廠汽水管道是傳輸汽水介質(zhì)的重要組成 部分,尤其是作為火力發(fā)電廠輸送高溫、高壓介質(zhì) 的汽水管 道,其 安 全 性 對(duì) 整 個(gè) 電 廠 至 關(guān) 重 要.由 于金屬材料 所 固 有 的 熱 脹 冷 縮 特 性,汽 水 介 質(zhì) 管 道在運(yùn)行狀 態(tài) 下 會(huì) 產(chǎn) 生 一 定 的 熱 膨 脹 量,宏 觀 上 表現(xiàn)為 管 道 的 熱 脹 位 移. 在 進(jìn) 行 管 道 布 置 設(shè) 計(jì) 時(shí),為避免管道內(nèi)部應(yīng)力超標(biāo),一般會(huì)通過嚴(yán)格的 計(jì)算后布置合適的彈簧(含恒力彈簧)支吊架以及彎頭(或彎管)以補(bǔ)償管道的熱膨脹量.管道位移 異常將會(huì)導(dǎo) 致 一 系 列 的 嚴(yán) 重 危 害,筆 者 總 結(jié) 了 以 往相關(guān)項(xiàng)目 的 原 因 分 析 以 及 處 理 經(jīng) 驗(yàn),建 立 了 汽 水管道熱脹 位 移 異 常 評(píng) 估 及 處 理 流 程,為 以 后 類 似故障的處理提供借鑒.

１ 管道熱脹位移異常的危害 

管道熱脹位移異常對(duì)管道本身以及連接設(shè)備的 安全性都有著重要的影響,首先汽水管道熱脹位移 異常將導(dǎo)致管道正常熱脹位移狀態(tài)改變,對(duì)管道產(chǎn) 生不正常的約束,使管道的熱脹冷縮受到不合理的 限制,增加管道二次應(yīng)力;管道位移異常還將導(dǎo)致吊點(diǎn)載荷重新分配,勢必使得局部管段吊點(diǎn)載荷增加, 從而提高相應(yīng)管段的一次應(yīng)力;管道應(yīng)力水平升高可 能導(dǎo)致管道的直接破壞,也將直接影響管道的壽命, 為機(jī)組的長期安全運(yùn)行埋下隱患.同時(shí)吊點(diǎn)載荷重 新分配后還可能導(dǎo)致部分支吊架過載或失載,甚至失 效,進(jìn)一步改變支吊點(diǎn)的特性,從而加劇管道熱脹位 移異常的情況,形成惡性循環(huán).管道熱脹位移異常對(duì) 管道安全性及壽命的影響過程如圖１所示.

在管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算中,還會(huì)考慮管道對(duì)設(shè) 備的推力和推力矩,并通過對(duì)管道的科學(xué)布置以及 相應(yīng)支吊架選型的合理優(yōu)化,使得管道在工作狀態(tài) 以及冷態(tài)下的端口推力和力矩最大值滿足設(shè)備安全 承受要求.汽水管道熱脹位移異常后將改變管道的 原始計(jì)算條件,使得管道系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)偏離管 道最佳設(shè)計(jì)計(jì)算狀態(tài),從而增加管道端口對(duì)設(shè)備的 推力和推力矩[１],引起管道與設(shè)備連接的接口焊縫 產(chǎn)生裂紋、設(shè)備出現(xiàn)變形或非正常位移等情況.同 時(shí)設(shè)備的反作用力也會(huì)增加管道載荷,降低管道壽 命.管道熱脹位移異常對(duì)管道及其連接設(shè)備的影響 過程如圖２所示. 

汽水管道的減振防振主要靠各型支吊架的固定 和緩振作用,管道熱脹位移異常導(dǎo)致吊點(diǎn)載荷重新 分配后可能使得部分支吊架欠載甚至完全失載,從 而部分或完全失去對(duì)該吊點(diǎn)處位移的合理約束和限 制作用,造成管道在流體的沖擊下出現(xiàn)失穩(wěn)晃動(dòng);同 時(shí)如果部分支吊架完全失載會(huì)使得管道吊點(diǎn)間距加 大,降低管道固有頻率,這些都將導(dǎo)致管道更容易出 現(xiàn)振動(dòng)情況[２].管道振動(dòng)往往會(huì)引起一系列嚴(yán)重后 果,例如:引起管道過度疲勞損傷,尤其會(huì)使得與其 連接的小管道斷裂;管件自身損壞,焊縫出現(xiàn)裂紋; 將振動(dòng)傳遞到管道連接設(shè)備或者其他靜止設(shè)備上, 危及熱力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[３];管道振動(dòng)還容易導(dǎo)致 管道上的測量儀表出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差甚至錯(cuò)誤[４].其危 害過程如圖３所示

由于設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行階段的偏差,火電廠 汽水管道熱脹位移異常(或出現(xiàn)一定的偏差)也是一 種較為普遍的現(xiàn)象,但是由于管道熱脹位移異常帶 來的危害往往是一個(gè)緩慢累積的過程,不太容易引 起相關(guān)人員的注意,因而火電廠汽水管道熱脹位移 異常的情況往往被忽略,其危害性也往往被輕視,給 機(jī)組的安全運(yùn)行帶來巨大的隱患.隨 著 機(jī) 組 容 量 和參數(shù)的不斷提高,管道規(guī)格尺寸也不斷增大,管 道上布置的 恒 力 吊 架 也 越 來 越 多,對(duì) 管 道 熱 脹 位 移異常情況的控 制 能 力 變 弱(承 重 支 吊 架 有 剛 性 吊架、變力彈簧吊架和恒力吊架３種.其中:剛性 吊架主要用于完全約束管系在吊點(diǎn)處垂直向下的位移;變力彈簧吊架承載力隨管道支、吊點(diǎn)處管道 垂直位移的 增 加 而 增 大;前 兩 種 類 型 的 吊 架 都 具 有一定的自 調(diào) 性,能 夠 在 一 定 的 范 圍 內(nèi) 承 載 管 道 增加的重量;而 恒 力 吊 架 承 載 力 不 隨 吊 點(diǎn) 處 管 道 垂直位移的變化而變化,即荷載保持基本恒定,因 而恒力吊架不能額外增加載荷用以承擔(dān)增加的管 道重量,對(duì) 管 道 向 下 位 移 沒 有 任 何 約 束 作 用),因 而汽水管道熱脹位移異常的危害越來越明顯.因 此,開展火電 廠 汽 水 管 道 熱 脹 位 移 異 常 綜 合 評(píng) 估與治理技術(shù) 研 究,有 著 廣 泛 的 實(shí) 際 需 求 和 重 要 的 應(yīng)用價(jià)值.

２ 管道熱脹位移異常原因分析 

為更加系統(tǒng)細(xì)致地了解可能導(dǎo)致管道熱脹位移 異常的原因,全面梳理了火電廠汽水管道設(shè)計(jì)、制 造、安裝、運(yùn)行等過程,并總結(jié)以往相關(guān)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn), 分析歸納了可能影響管道熱脹位移異常的主要因 素,如圖４所示. 

管道支吊架是管道的主要承載部件,起著承擔(dān) 管道重量、承受管道排汽反力、約束和限制管道不合 理位移以及控制管道振動(dòng)等功能,其中管道支吊架 從功能和用途方面可分為承重支吊架、限位支架和 防振支架３大類,不論采用何種承重支吊架,一條管 道上的所有承重支吊架的總工作載荷應(yīng)與該管道的 有效載荷(含管道自重、介質(zhì)重量、保溫層重量等)相 匹配,支吊架載荷偏小將導(dǎo)致支吊架無法承受管道 重量,造成管道不斷下沉[５];支吊架載荷過大也會(huì)導(dǎo) 致整條管道或是部分管段熱膨脹位移受阻,宏觀上 表現(xiàn)為 管 道 無 法 拉 動(dòng) 吊 架,吊 架 冷、熱 態(tài) 指 示 不 變[６].無論出現(xiàn)上述哪種情況都將導(dǎo)致管道應(yīng)力水 平提高,管道與設(shè)備連接端口的推力和推力矩增大, 嚴(yán)重時(shí)將危及管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行. 

管道實(shí)際重量與支吊架設(shè)計(jì)載荷不匹配主要表 現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是設(shè)計(jì)計(jì)算階段管道重量(含保溫 層、流體介質(zhì)等重量)輸入數(shù)據(jù)偏差[７];二是支吊架 計(jì)算選型錯(cuò)誤(如未考慮管夾重量、吊點(diǎn)載荷未分配 等)[８].由于在設(shè)計(jì)階段很多結(jié)構(gòu)的實(shí)際重量未知, 因而計(jì)算輸入的都是理論數(shù)據(jù),而實(shí)際制造安裝與 設(shè)計(jì)圖紙往往都有一定的偏差,包括管道壁厚偏差、 內(nèi)外徑偏差、閥門重量偏差、支吊架部件重量偏差、 保溫層重量偏差等,這就造成按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選型的支吊架載荷與結(jié)構(gòu)實(shí)際重量存在一定的誤差, 當(dāng)重量偏差較大時(shí),則難以通過支吊架的載荷調(diào)整 來消除計(jì)算誤差,從而引起管道實(shí)際熱脹位移異常. 另外在根據(jù)計(jì)算吊點(diǎn)載荷進(jìn)行支吊架選型時(shí),可能 由于人為失誤而未考慮管夾重量或吊點(diǎn)載荷未平均 分配(雙拉桿吊架)等情況,這將導(dǎo)致局部吊點(diǎn)載荷 偏差,從而使得部分管段熱脹位移異常.

另外支吊架實(shí)際載荷偏差也會(huì)導(dǎo)致管道重量與 支吊架載荷不匹配,主要包括以下幾種情況[９]:①支 吊架制造質(zhì)量不過關(guān),支吊架出廠性能不達(dá)標(biāo);②現(xiàn) 場支吊架的錯(cuò)裝、漏裝,也將導(dǎo)致局部吊點(diǎn)載荷偏 差,從而影響管道熱脹位移;③隨著運(yùn)行時(shí)間的延 長,在役支吊架的性能不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定的退 化,導(dǎo)致部

分支吊架的工作性能無法滿足規(guī)范要求, 甚至完全失效,進(jìn)而改變支吊架載荷特性,導(dǎo)致管道 熱脹位移異常[１０Ｇ１１]. 

最后,實(shí)際現(xiàn)場管道由于安裝間隙不足或是后續(xù) 其他加裝的一些構(gòu)件離管道太近,有可能阻礙管道的 正常熱膨脹位移,造成管道熱脹位移異常.另外還有 一些情況,如原先管道有一定的振動(dòng)情況,現(xiàn)場未經(jīng) 詳細(xì)計(jì)算分析,隨意加裝了一些限制性裝置以控制管 道振動(dòng),這些裝置很有可能阻礙了管道的正常熱膨 脹,同時(shí)在管道上設(shè)置了一個(gè)新的“死點(diǎn)”,這會(huì)改變整個(gè)管道的熱膨脹形式,導(dǎo)致管道熱脹位移異常.

３ 支吊架檢驗(yàn)技術(shù)方案 

總結(jié)上述可能導(dǎo)致管道熱脹位移異常的所有因 素,有針對(duì)性地進(jìn)行排查與處理,并結(jié)合管道應(yīng)力計(jì) 算分析結(jié)果進(jìn)行全面的危害性評(píng)估,依據(jù)評(píng)估結(jié)果 以及現(xiàn)場處理?xiàng)l件合理制定相應(yīng)的管道熱脹位移異 常處理方案,具體技術(shù)路線如圖５所示.

(１)資料收集與宏觀檢查 

資料收集與宏觀檢查主要包括管道系統(tǒng)布置、 管道材料與規(guī)格、支吊架布置與類型、運(yùn)行參數(shù)、支 吊架設(shè)計(jì)載荷以及位移等數(shù)據(jù),以及現(xiàn)場管道及支 吊架運(yùn)行狀態(tài)、支吊架冷熱態(tài)位移指示數(shù)據(jù)檢查記 錄等,并結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比管道所有吊點(diǎn)的實(shí)際 熱脹位移是否相符,重點(diǎn)關(guān)注是否有異常膨脹死點(diǎn)以 及熱脹位移反向的管段,需要注意的是管道實(shí)際熱脹 位移一般小于設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)值,如果遇到實(shí)際熱脹位移 大于設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)值的情況也應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注. 

(２)原因檢查分析 

如果出現(xiàn)熱脹位移不相符的情況應(yīng)結(jié)合位移異 常狀態(tài)立即進(jìn)行故障原因檢查分析,主要手段包括 現(xiàn)場異常限制情況檢查、管道型號(hào)(直徑、壁厚)檢 測、現(xiàn)場支吊架安裝相符性檢查、在役支吊架性能測 試[１２]、支吊架選型計(jì)算核對(duì)等.如管道出現(xiàn)異常下 沉情況時(shí),可重點(diǎn)進(jìn)行管道型號(hào)(直徑、壁厚)檢測、 在役支吊架性能測試、支吊架選型計(jì)算校核等,以便 檢驗(yàn)是否是管道重量超過支吊架實(shí)際總載荷.如出現(xiàn)管道向下熱脹位移為零的情況時(shí),則應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注 現(xiàn)場異常限制情況檢查、支吊架選型計(jì)算校核等,以 確認(rèn)管道是否膨脹受阻. 

(３)管道異常熱脹位移情況下的危害性計(jì)算分析 結(jié)合管道異常熱脹位移對(duì)管道自身以及連接設(shè) 備可能造成的危害,建立管道計(jì)算模型,將管道異常 熱脹位移情況作為原始邊界條件進(jìn)行輸入,將計(jì)算 結(jié)果與管道材料的許用應(yīng)力、設(shè)備端口允許推力和 推力矩進(jìn)行對(duì)比,同時(shí)將計(jì)算結(jié)果與正常設(shè)計(jì)工況 進(jìn)行對(duì)比分析,定量地分析出管道異常熱脹位移危 害性的大小. 

(４)處理方案制定及實(shí)施 根據(jù)管道異常熱脹位移原因分析結(jié)果,有針對(duì) 性地給出相應(yīng)的處理方案,常見的處理方案有:去除 現(xiàn)場不合理或額外約束;更換不合格或性能失效的 支吊架;根據(jù)最新的管道應(yīng)力分析結(jié)果重新進(jìn)行支 吊架選型計(jì)算等.并在機(jī)組停機(jī)檢修時(shí),按照處理 方案進(jìn)行調(diào)整施工,同時(shí)確保施工質(zhì)量滿足方案中 提出的各項(xiàng)技術(shù)要求.

(５)效果評(píng)估測試 

機(jī)組重新啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后,進(jìn)行詳 細(xì)地冷熱態(tài)檢查對(duì)比,并評(píng)價(jià)處理后的管道熱脹位 移情況是否滿足要求.其中管道支吊架的位移指示 也能夠直觀地反映管道膨脹情況,因而加強(qiáng)管道支 吊架的日常檢查記錄有助于有效掌握管道的位移狀 況,盡早地發(fā)現(xiàn)管道熱脹位移異常類故障.

４ 案例介紹 

４．１ 某３００ MW 機(jī)組高壓給水管道熱脹位移異常 原因分析及處理

某電廠３００MW 亞臨界機(jī)組高壓給水管道(鍋 爐側(cè))立體布置示意圖如圖６所示,通過對(duì)管道的支 吊架進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn),２號(hào)和３號(hào)恒力吊架冷、熱態(tài)指 示均向上卡死,顯示出對(duì)應(yīng)吊點(diǎn)的熱位移為零,與設(shè) 計(jì)值嚴(yán)重不符[８].

查閱相關(guān)圖紙得到２號(hào)和３號(hào)恒力吊架的具體 資料如表１所示,現(xiàn)場檢查顯示吊架安裝規(guī)格以及 型號(hào)與設(shè)計(jì)資料一致. 

管道應(yīng)力校核計(jì)算顯示２號(hào)和３號(hào)吊架對(duì)應(yīng) 吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)載荷、位移正確,但該兩吊架均為雙拉 桿恒力吊架,吊點(diǎn)載荷應(yīng)平分配到兩個(gè)吊架上,對(duì) 比吊架選型中的載荷數(shù)據(jù)可知選型規(guī)格中的載荷 標(biāo)注錯(cuò)誤,按 此 數(shù) 據(jù) 制 造 出 來 的 吊 架 實(shí) 際 載 荷 遠(yuǎn) 大于吊點(diǎn)載荷,從而造成管道無法拉動(dòng)吊架,阻礙 了管道的正常熱膨脹. 

由２號(hào)和３號(hào)恒力吊架冷、熱態(tài)指示均向上卡 死可以判斷,管道在這兩處的豎直向熱膨脹被完全 限制,２號(hào)和３號(hào)恒力吊架已完全喪失了恒力吊架 的功能,退化為剛性吊架.依據(jù)管道布置圖紙,采用 專業(yè)計(jì)算軟件進(jìn)行管道應(yīng)力仿真計(jì)算,以理論設(shè)計(jì) 狀態(tài)為工況一,將２號(hào)和３號(hào)吊架給定為剛性吊架 為工況二,對(duì)比兩種工況在設(shè)計(jì)運(yùn)行狀態(tài)下的一次 應(yīng)力、二次應(yīng)力以及管道與省煤器連接端口的推力 和推力矩,計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況如表２所示.

計(jì)算結(jié)果顯示工況二較工況一的一次應(yīng)力有所 提高,二次應(yīng)力則顯著提高,這主要是由于二次應(yīng)力 是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求 所產(chǎn)生的應(yīng)力,管道局部豎直向熱膨脹被完全限制 后必然導(dǎo)致二次應(yīng)力的顯著增大.同時(shí)由于２號(hào)和 ３號(hào)吊架位置距省煤器連接端口較近,該管段固定 卡死后,運(yùn)行狀態(tài)下管道不能隨著鍋爐本體自由向 下膨脹,導(dǎo)致端口推力和推力矩也顯著增大.

最后依照正確的吊架選型方案將原有選型過大的吊架進(jìn)行了更換,更換吊架后的檢查結(jié)果顯示該 高壓給水管道恢復(fù)了自由膨脹狀態(tài),２號(hào)和３號(hào)吊 架所對(duì)應(yīng)吊點(diǎn)的熱膨脹位移正常,管道熱膨脹受阻 問題得到了解決.

４．２ 某３００MW 機(jī)組主蒸汽管道下沉原因分析及處理 

通過對(duì)某 電 廠 ２×３００ MW 亞 臨 界 機(jī) 組 主 蒸 汽管道的支 吊 架 進(jìn) 行 檢 查 發(fā) 現(xiàn),該 管 系 上 的 恒 力 吊架、彈簧 吊 架 普 遍 偏 離 設(shè) 計(jì) 冷、熱 態(tài) 位 置,恒 力 吊架冷、熱態(tài)指示均處于理論值下方,甚至呈向下卡死狀態(tài);變力彈簧吊架呈過度壓縮狀態(tài)[１３].經(jīng) 過冷、熱態(tài)對(duì)比可知該主蒸汽管道熱膨脹異常,管 道明顯下 沉.該 主 汽 管 道 設(shè) 計(jì) 溫 度 為 ５４５ ℃、設(shè) 計(jì)壓力 為 １７．４ MPa,主 管 規(guī) 格 為ID３６８．３ mm× ３８．４mm、支管規(guī)格為ID２７３．１mm×２９．２ mm,管 道材料為 A３３５P９１鋼. 

參照前述處理管道下沉問題的流程,考慮判斷 管道重量是否超過理論設(shè)計(jì)值,并對(duì)該主蒸汽管道 各管段的實(shí)際壁厚進(jìn)行了測量,主要測量和計(jì)算結(jié) 果如表３所示.

測量結(jié)果顯示管道實(shí)際壁厚明顯大于設(shè)計(jì)壁 厚,由管道線質(zhì)量計(jì)算結(jié)果可知主管和支管的實(shí)際 重量較原始設(shè)計(jì)重量分別增加了１６．２％和１２．５％, 管道重量增加導(dǎo)致現(xiàn)有管道上的支吊架載荷與管道 重量不匹配,即承重支吊架理論設(shè)計(jì)載荷不足以承 受管道重量. 為更加準(zhǔn)確地判斷管道下沉對(duì)管系安全運(yùn)行的 危害,采用專業(yè)管道應(yīng)力計(jì)算軟件對(duì)相關(guān)管系進(jìn)行 了應(yīng)力仿真計(jì)算,就理論設(shè)計(jì)狀態(tài)與管道增重后的 實(shí)際安裝狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算所得的主蒸汽管道一 次應(yīng)力和二次應(yīng)力對(duì)比情況如表４所示.

計(jì)算結(jié)果顯示管道重量增加后,主蒸汽管道的 一次應(yīng)力和二次應(yīng)力均有顯著增大,危及管道的安 全運(yùn)行. 

針對(duì)以上支吊架載荷與管道重量不匹配的故 障,根據(jù)實(shí)際管道規(guī)格重新進(jìn)行了管道應(yīng)力計(jì)算,并 依據(jù)管道吊點(diǎn)載荷結(jié)果重新進(jìn)行了支吊架選型,將 原有不符合的支吊架全部進(jìn)行了更換.并在機(jī)組重 啟穩(wěn)定后,對(duì)管道的膨脹、位移情況進(jìn)行了持續(xù)檢查 記錄,檢查結(jié)果顯示處理后的主蒸汽管道工作狀態(tài) 正常,各支吊架冷、熱態(tài)均處于正常指示位置.

５ 結(jié)束語 

管道支吊架實(shí)際工作載荷與實(shí)際需求載荷偏差較大,是引起大部分管道熱脹位移異常的主要原因; 而引起火電廠汽水管道熱脹位移異常的很多因素都 是基建階段產(chǎn)生并遺留的,如能在基建階段通過有 效的監(jiān)督管理手段,盡早地發(fā)現(xiàn)管道支吊架設(shè)計(jì)、制 造、安裝缺陷,盡快地將故障隱患消除掉,可以為以 后機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障.

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<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 54卷 > 4期 (pp:256-261)>