某电厂高温再热蒸汽管道下沉原因分析及治理

王彪，唐远富，秦旭明

(湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南长沙410004)

高温再热蒸汽管道属于火电厂四大管道之一，其管径及壁厚大，蒸汽运行参数高，当出现异常情况时，会严重影响机组的安全运行[1]。支吊架是管道系统中的重要组成部分，具有安全承受管道荷载，合理约束管道位移，控制管道端口对所连接设备的推力和扭矩等功能[2]。如果支吊架设计不当，不能承受管道质量等引起的荷载，将导致管道下沉，管道一次应力增大甚至超标。

1 设备及支吊架缺陷

某电厂2×330 MW亚临界燃煤发电机组，其高温再热蒸汽管道设计温度为545℃，设计压力为4.28 MPa，材质为A335-P22，热位移向上，管道及支吊架布置如图1所示。机组在冷、热态检查过程中，发现高温再热蒸汽管道冷态时8号、9号恒力吊架指针处于下极限位置，而热态时5—9号恒力吊架及13号恒力吊架指针位置相对于冷态基本不变。结合现场测量结果，发现高温再热蒸汽管道有严重下沉现象，最大下沉量约400 mm。

图1 高温再热蒸汽管道支吊架布置图

2 管道计算校核

管道在工作状态下承受的应力分为一次应力和二次应力。一次应力是指管道在内压、自重和其他持续外载作用下所产生的应力；二次应力是指管道在热胀冷缩、端点附加位移、冷紧等位移受约束时产生的应力[3]。

依据DL/T 5366—2014《发电厂汽水管道应力计算技术规程》[4]，基于CAEsarⅡ管道专用计算软件，对高温再热蒸汽管道进行应力及支吊架选型校核计算。计算结果表明，高温再热蒸汽管道一次应力和二次应力合格，但13号恒力吊架工作荷载校核值与设计值相差较大，其校核荷载为63 547 N，而设计荷载为55 216 N，设计值比校核值小约15%，其余支吊架校核结果与设计值基本一致。支吊架设计荷载偏小会导致其无法承载管道质量而使管道下沉。因此，13号恒力吊架选型错误是导致管道下沉的一个原因。

3 管道壁厚测量及相应计算对比

在机组停机后，对不同规格的直管段和弯头进行壁厚测量，测量时在同一环形面分四个不同方向每隔90°测一个点，测量后取平均值，结果见表1。测量结果表明，管道弯头壁厚实际值与设计值相差很大，最大处超过设计值50.7%，直管段实际值与设计值基本一致。

表1 高温再热蒸汽管道壁厚测量结果

在设计壁厚和实测壁厚下分别对管道进行应力和冷位移计算，由于管道下沉情况主要在锅炉侧，且冷、热位移较大处也在锅炉侧，所以取15号刚性吊架至炉顶再热器出口为例，其结果见表2和表3所示。从表2可知，实测壁厚的一次应力较设计壁厚有明显提高，而二次应力明显减小，但都在合格范围内。从表3可知，校核冷位移基本与设计冷位移一致，而实测壁厚下冷位移较设计冷位移明显增大，最大处超过80 mm，因而管道壁厚与设计值不一致是导致管道下沉的重要原因。

表2 设计壁厚及实测壁厚下一次应力与二次应力计算结果 kPa

表3 设计壁厚及实测壁厚下冷位移计算结果mm

续表3

4 恒定度测试

恒力吊架用于管道热位移较大的位置，在管道热胀冷缩的过程中荷载基本保持不变。NB/T 47038—2013《恒力弹簧支吊架》规定，恒力吊架的恒定度不大于6%[5]，其定义如下:

该管道多组恒力吊架冷、热态指针指示基本不变。在机组停机后，采用DH5909N动态信号分析仪及KD4150S拉压力传感器对6号和8号恒力吊架进行恒定度测试。其中6号恒力吊架工作荷载为64 993 N，8号恒力吊架工作荷载为61019 N，均为双拉杆恒力吊架。将恒力吊架行程分为10等分进行荷载测量，其荷载曲线如图2所示，恒定度计算结果见表4。从表4可知，6号恒力吊架两侧恒定度分别为12.7%和11.1%，8号恒力吊架两侧恒定度分别为8.3%和 7.3%，都大于 NB/T 47038—2013《恒力弹簧支吊架》规定的6%。因此，这两组恒力吊架性能是不合格的。

图2 高温再热蒸汽管道恒定度测试曲线

表4 恒力吊架恒定度测试结果汇总

5 原因分析及处理

根据对该管道的冷、热态检查，管道计算校核、壁厚测量和恒定度测试，高温再热蒸汽管道异常下沉主要有如下几个方面的原因。经过计算校核，13号恒力吊架设计荷载偏小，导致该处吊架无法承受管道质量。另一方面，管道壁厚与设计壁厚不符，特别是弯头厚度，最大处偏厚超过50%，而管道支吊架的设计是按照设计壁厚计算所得，这会导致支吊架的设计荷载偏小而无法承受管道应有重量。最后，经过恒定度测试，发现所抽查的恒力吊架恒定度都不符合标准要求。电厂恒力吊架热位移都为向上热位移，从图2的恒定度测试曲线可知，当恒力吊架在向上位移时，即放松过程中，荷载会大幅降低，对管道的提升量减小，即冷、热态时恒力吊架指针指示基本不变，因此，管道热态整体会发生相对向下沉降。

通过以上分析，更换了两组恒力吊架和新增了一组恒力吊架，即对6号恒力吊架和13号恒力吊架重新选型，分别将工作荷载改为80 000 N和63 500 N，在9号和10号两组恒力吊架之间加一组恒力吊架，工作荷载为26 200 N。在此基础上，对各恒力吊架的荷载调整螺栓进行相应调整，使各支吊架受力合理，并调整法兰螺丝，使冷态时指针指示于90%位置。按此方案实施，根据实测壁厚进行计算，其一次应力为32 069.2 kPa，二次应力为121 524.6 kPa，均在许用应力范围内。相对于未整改前，其一次应力得到明显减小，二次应力基本不变。

在机组停机期间，按照DL/T 616—2006《火力发电厂汽水管道与支吊架维修调整导则》[6]，对管道支吊架进行了调整施工。调整后冷、热态复检结果表明，高温再热蒸汽管道支吊架承载及热位移达到或接近设计值，管道下沉现象得到明显改善，消除了机组及管道安全运行的隐患。

6 结论与建议

本文基于高温再热蒸汽管道出现的下沉现象，找出了导致高温再热蒸汽管道下沉的三个主要原因，即支吊架选型荷载偏小、管道壁厚偏大及恒力吊架恒定度不符合要求。经过综合分析，提出了解决方案，并按方案施工后，使管道受力基本正常，下沉现象得到明显改善。

在机组投运前，应请专业人员对管道支吊架状态进行全面、系统地检验，并应特别注重管道壁厚、保温层厚度及管道附件重量的核实，并进行应力校核。机组投运后，管道支吊架在运行过程中状态会发生变化，应按照DL/T 616—2006《火力发电厂汽水管道与支吊架维修调整导则》的要求，加强对支吊架的日常监督与维护。