火力发电厂热力系统管道支吊架性能不达标事例分析及优化治理

0引言

管道支吊架是管道系统中一个重要组成部分,起着承受管道荷载、控制管道位移量的重要作用。支吊架配置(荷载、类型、位置)直接影响管系的应力分布和大小,其性能的好坏、承载是否合理都直接影响管道的使用寿命及运行安全[1]。管道支吊架如出现性能不达标的情况,其承载将与设计不匹配导致管道出现应力分布偏离设计状态、发生塑性变形,并对连接端口产生附加推力和力矩,将严重影响管道系统和连接设备的安全稳定运行。

1 支吊架性能不达标事件与分析

现役火力发电厂热力系统管道支吊架基本采用国产设备,国内生产厂家众多、设备生产质量参差不齐。众多火力发电厂热力系统管道都曾因支吊架性能不达标,而导致热力系统管道下沉严重、管道塑性变形、管道支吊架出现裂纹甚至断裂等现象。

大部分管道支吊架性能不达标问题主要集中在承受管道荷载的恒力吊架上,现场采用的恒力吊架大致分为两种形式:德标直线式、美标ITT形式。

恒力吊架的性能要求如下:恒力吊架的额定位移应符合设计要求,可运动部件在位移范围内运动时不应有卡阻现象[2]。

而恒力吊架性能好坏可由以下两个指标评价:荷载恒定度Δ、荷载偏差λ,DL/T1113—2009《火力发电厂管道支吊架验收规程》要求恒力吊架的荷载恒定度Δ≤6%,荷载偏差λ≤2%。

1.1 典型事件

某燃煤火力发电厂(2×600 MW)两台机组在投产一年后进行的热力系统支吊架检验及整治项目实施过程中,经冷、热态支吊架位移读数与设计数据对比后,发现两台机组炉侧主蒸汽管道垂直段沉降最大值超200 mm,炉侧垂直管段#3刚性限位支吊架管部轴向限位管夹变形且下部开裂(图1),该刚性限位支架管部轴向限位管夹的设计工作(热态)载荷为179.5 KN,冷态载荷为157.89 KN,轴向限位管夹在设计工作温度(610℃)下的许用载荷为386 KN。

1.2 事件分析

在对主蒸汽管道进行详细的设计资料及图纸核对、管系应力核算、机组冷热状态下的检查以及恒力吊架性能测试后,分析主要存在以下两个问题:

1)#13恒力吊架供货厂家选型错误(设计工作载荷119.7 KN,支吊架厂家选型为59.9 KN);

2)设计院范围内的四大管道恒力吊架性能严重不达标,载荷严重偏离设计载荷要求。

在检修阶段抽取主蒸汽管道上#13恒力吊架(美标ITT形式)、#10恒力吊架(德标直线式)进行性能测试,结果如表1所示。

本次测试结果表明,#13恒力吊架、#10恒力吊架的荷载偏差以及恒定度均不满足规范要求,尤其是该厂家生产的直线式恒力吊架,制造工艺粗糙,性能非常差。

在热力系统管道冷热态膨胀过程中发生的膨胀异常或正常现象均与力平衡与否存在直接关系。在热力系统管道应力核算中,系统默认热态吊零原则:即设计工况下管道的重量(含保温、蒸汽或水等介质和支吊架附加在管道上的零部件的重量)与对应的支吊架的设计荷载相等。在此条件下,管道在热胀冷缩过程中可以完全自由膨胀。而当支吊架实际荷载与管重不相匹配时,支吊架过载增加的力或欠载减少的力将附加在管道上。根据上述性能测试结果,按同一生产批次同类型恒吊性能相近来分析,在主蒸汽管道冷态→热态(热胀)和热态→冷态(冷缩)过程中主蒸汽管道上各个恒力吊架因性能不达标产生的附加荷载如表2所示。

支吊架性能不达标对#3刚性限位支架影响:管道热胀时,受到管系上恒吊的附加阻力(平衡管道重量后的附加力)为295.63 KN,抵消#3刚性限位支架的设计工作(热态)荷载179.5 KN,#3刚性限位支架受到向上的力为116.13 KN;管道冷缩时,受到管系上恒吊的附加阻力(荷载不足以平衡管道重量而产生的附加力,即欠载)为262.76 KN(垂直段受拉),叠加#3刚性限位支架的设计荷载157.89 KN(冷态荷载),#3刚性限位支架受到向下的最大可能拉力为420.65 KN;当考虑#13恒力吊架选型欠载的59.8KN时,该值为480.45 KN。

对垂直段下弯头影响(图2中#10、#11、#12、#13、#14、#15恒力吊架):管道热胀时,水平段管道对垂直段下弯头的最大可能影响阻力为190.48 KN,抵消掉#13恒力吊架选型欠载的59.8 KN,该值为130.68 KN;管道冷缩时,水平段管道对垂直段下弯头的最大可能影响欠载为138.33 KN,叠加#13恒力吊架选型欠载的59.8 KN,该值为198.13 KN。

从以上主蒸汽管道支吊架的布置(图2)和恒力吊架性能测试结果看,当#13恒力吊架选型欠载的59.8 KN及恒力吊架性能偏差导致增加的附加两项叠加在一起,#3刚性限位支吊架实际荷载可能出现的最大值达到480.45 KN,已经远超#3刚性限位支架管部轴向限位管夹在设计温度(610℃)下的许用荷载386 KN。这就导致了#3刚性限位支架管部轴向限位管夹长期处于超过许用荷载的状态下工作,最终出现#3刚性限位支架管部轴向限位管夹变形、开裂的严重情况。同时,在热胀及冷缩时,垂直段管道下弯头因恒力吊架性能偏差受压或受拉的附加荷载可能出现的最大值达130.68 KN和198.13 KN。这样主蒸汽管系就一直处于应力分布偏离原设计、局部应力超过材料屈服强度的状态,长此以往管道必将出现塑性变形、产生疲劳裂纹、下沉无法恢复的严重情况。

2优化治理

火力发电厂机组管道支吊架在原始设计、生产制造、基建安装、管道运行工况变化等方面可能产生的缺陷,将引起各吊点的荷载、位移值偏离设计值,导致管系各吊点荷载分配不合理,使得管道对连接设备产生附加推力和力矩,引起管道一次应力与二次应力水平增高,必然会缩短管道运行寿命,进而影响到管道和机组的运行安全性。如未及时对存在问题的支吊架进行更换或优化治理,随着运行时间增长,管道高应力蠕变损伤加快,管道材质劣化速度将加快,使用寿命将被缩短,从而严重影响机组安全稳定运行[3]。

2.1 治理措施

针对上述事例的处理措施:1)供货厂家重新生产制造四大管道上性能不合格的恒力吊架,重新供货的恒力吊架必须保证性能满足规范要求。2)重新供货的恒力吊架尽量变更为ITT形式。3)对开裂的#3刚性限位支架管部轴向限位管夹进行更换。4)将#13恒力吊架更换为与设计荷载(119.7 KN)对应且性能合格的恒力吊架。5)主蒸汽管道更换完所有新的恒力吊架后先不拔除锁定装置,利用手拉葫芦对新更换的恒力吊架进行第一次调整收紧,全部调整完成后进行二次调整过程中逐个拆除锁定装置;二次调整完毕后再检查各个恒力吊架状态,对于指针偏差较大的恒力吊架进行微调,确保所有恒力吊架指针处于冷态整定位置,这样调整完后管系标高将恢复至设计标高。

2.2优化恒吊性能

恒力吊架的性能优化需要从设计、材料、制造工艺及使用维护等多个维度综合考虑。可以根据恒力吊架性能测试的荷载—位移关系曲线图(图3)来判断恒力吊架性能的好坏,并通过以下两个参数做定性分析:1)载荷线角度θ:是载荷曲线与水平线之间的夹角;θ的大小与恒力吊架的载荷大小和位移无关,只与恒力吊架的回转框架(图4)的特性有关,即与厂家的制造工艺有关。性能越先进的恒力吊架,其θ值越小,并且θ值不会随着设备使用时间长短而发生变化(除非发生结构变形导致回转框架改变)。2)摩擦带宽度Δk:是指向上、向下位移在行程范围内某个位移值的荷载之差(此荷载值是指吊杆的荷载,非恒力吊架的结构摩擦阻力),其大小等于下行时的荷载减去上行时的荷载。Δk大小与摩擦阻力有关,摩擦阻力越大则Δk值越大。

在设计院的设计计算过程中,软件默认将恒力吊架的冷、热态荷载定义为一个相同的恒定值。即恒定度Δ=0,荷载偏差λ=0(或者θ=0,且Δk=0)。但真实的恒力吊架性能曲线是θ=0(有可能),但Δk≠0。因此,当较长的高温管道垂直段采用高位或低位布置Z向限位支吊架时,设计院的设计能够满足应力要求,但常常因为恒力吊架性能偏差叠加导致管道支吊架受力异常发生。

所以,针对恒力吊架性能优化有以下几种方式:

1)θ值优化:(1)依据管道热位移值、载荷通过有限元分析计算优化弹簧刚度与杠杆比;(2)提高零部件制造精度;(3)优化弹簧行程分配,避免弹簧压缩/拉伸超出线性工作区。

2)Δk值优化:(1)减小恒力吊架主轴的摩擦力,加润滑脂,安装轴承套;(2)弹簧筒内的尾部压板增

加定位滚珠;(3)零部件之间的滑动摩擦部件采用滚动摩擦;(4)在恒力吊架钢材表面增加镀层,减少转动零部件之间因腐蚀而增加的摩擦力。

3)安装与维护:(1)依据设计参数精确定位吊架的安装位置,避免因吊架摆角超标而产生侧向力;(2)整个管系安装完成后应将管系上弹簧吊架的指针调整到与设计一致的冷态位置; (3)做好定期检查,及时整理更新支吊架台账;(4)定期对恒力吊架的转动部分进行润滑处理,比如加注黄油、喷打润滑剂等;(5)对出现问题的支吊架及时进行更换及优化治理。

3结束语

火力发电厂热力系统管道支吊架现状不容乐观,支吊架设备存在制造工艺差、设计不合理、维护不足、监测技术落后、忽视管道支吊架重要性等问题。火力发电厂应在采购时要求供应商提供支吊架性能检测报告及制造工艺认证(如焊接质量),引入第三方监造机制,对关键支吊架进行出厂前抽检;联合设计院对管道支吊架进行应力校核优化,采用有限元分析重新评估布局合理性;每年针对重要的管道支吊架进行重点检查,建立支吊架台账,对需整改的支吊架缺陷明确责任人、整改措施和期限,闭环管理。唯有从制造源头到用户实现系统性重视,方能避免“小支架引发大事故”,保障火力发电厂安全稳定运行。

[参考文献]

[1] 李嘉伦,郭永鹏,李楠林,等.电厂330MW机组四大管道支吊架检查与调整[J].河南科技,2020,39(32):121-123.

[2] 管道支吊架 第1部分:技术规范:GB/T17116.1—2018[S].

[3] 张兵,王必宁,毛剑波,等.某600MW机组管道支吊架状态检验与调整 [C]//第九届电站金属材料学术年会论文集(第二卷),2011:302-305.

《机电信息》2025年第18期第3篇