风险评估技术在管道支吊架检验与调整中的应用

冯亦武

摘  要：文章针对常规的支吊架检验与调整提出了一种全新的技术方案，该技术是利用模拟分析软件计算设计工况管道状态参数值，结合在线状态监测系统分析运行中的管道系统状态采集数据，对标开展风险分析，找出危险点，有针对性的开展检修工作。该技術解决了支吊架检验过程中的过量检修、检修不足、检修无针对性等问题，经济高效，且为电力行业提供了一套高温金属管道状态实时监控系统，具有很强的推广价值。

关键词：管道监测;风险评估;应力检测;支吊架检验

Abstract： This paper puts forward a new technical scheme for the inspection and adjustment of conventional supports and hangers， which uses the simulation analysis software to calculate the pipeline state parameters under the design conditions. Based on the on-line condition monitoring system， this paper analyzes the pipeline system state collection data in operation， carries out risk analysis to the standard， finds out dangerous points， and carries out targeted maintenance work. This technology solves the problems of excessive maintenance， insufficient maintenance and lack of pertinence in the inspection process of supports and hangers， so it is economical and efficient， and provides a set of real-time monitoring system for the state of high-temperature metal pipelines for the power industry， which has a strong value of popularization.

引言

管道支吊架是管道的承载部件，起着承担管道及其介质重量、承受管道排汽反力、约束和限制管道不合理位移以及控制管道振动等功能，对管道的安全运行具有极其重要的作用。对于火力发电厂的高温蒸汽管道而言，由于其工作温度和压力均很高，一旦发生爆漏事故，后果不堪设想，因而对其运行的安全性具有极高的要求。机组投运后，管道材料、管道附件与焊口状态均已确定，对管道应力、寿命及运行安全性产生影响的直接因素就是支吊架的工作状态和介质的参数。因此，电力行业标准DL 647 《电站锅炉压力容器检验规程》、DL/T438《火力发电厂金属技术监督规程》、DL/T616《火力发电厂汽水管道支吊架调整导则》均对火力发电厂高温蒸汽管道支吊架的检验与调整工作做出了具体规定，要求机组首次大修时即对管道支吊架进行检验与调整。

目前需定期进行管道及支吊架调整，并且管道普查、支吊架更换与调整、管道改造工作难度大，支吊架检查调整缺少科学的评价依据，且没有针对性。

风险评估也称为危害评价或安全评价，是对系统存在的安全性进行定性和定量分析，依据现存的专业经验和评价标准对危害进行分析以得出系统发生危险的可能性及其后果严重程度的评价，通过评价寻求最低事故率、最少的损失和最优的安全投资效益。

1 风险评估技术

风险评估是结合风险类型分析、应力分析、在线监测动态分析为一体的综合分析技术。通过管道位移、振动、应力、载荷等参数的动态监督，判断不同工况下数据的异常，及时进行风险的预测和警示，为电厂的高温蒸汽管道的安全保驾护航。

1.1 风险类型分析

支吊架的故障类型有吊架损坏、吊杆脱落、恒力吊架卡死、吊杆偏斜角度超标、导向支架安装错误、滑动脱空、横担倾斜、锁紧螺母未锁紧等。管道的故障类型主要有开裂、变形、泄漏、振动以及热位移过大等。

火力发电厂管道及支吊架产生失效的原因较复杂，本质上讲主要是由于应力的原因，主要包括：

（1）管道振动产生应力。

（2）温度变化引起的交变应力。

（3）高温高压环境下的正应力和环向切应力。

（4）弯头、焊口部位的应力集中。

（5）管道内外壁温差产生的热应力。

1.2 应力分析

风险评估技术要求根据管道及支吊架的状态，以及系统检测到的应力情况，评断管道及支吊架的失效风险。

首先明确待分析的管道及支吊架范围，进行信息收集：

（1）管道设计、制造、安装、调试和运行信息。同时进行管道三维建模，为后续的应力分析做好准备。

（2）设备故障信息。将历史上该管道发生的失效风险事故进行存储，并列举其产生原因，作为后续事故发生概率的依据。

（3）设备的维修信息。对于发生过维修、更换、热处理等操作的部件，需要将这些信息输入系统，并及时更新模型参数，以便计算出的应力符合实际情况。

（4）其他电厂同类管道及支吊架发生失效事故的情况，作为失效分析的参考依据。

收集信息后，建立模型，利用应力分析软件进行关系受力、位移、振动以及载荷分析;从而核对支吊架选型及管道设计的合理性。

1.3 在线监测和动态分析

参数偏离设计值的幅度决定了风险发生的程度，因此需要建立参数实时监测装置，实时动态跟踪管系状态。具体系统图1所示。

图中，1为蒸汽管道，2为前端蒸汽管道外壁温度传感器，3为前端蒸汽管道X向应变传感器，4为前端蒸汽管道Y向应变传感器，5为刚性吊架，6为刚性吊架应变传感器，7為前端蒸汽压力传感器，8为双拉杆恒力弹簧支吊架，9为双拉杆恒力弹簧支吊架位移传感器，10为后端蒸汽管道X向应变传感器，11为后端蒸汽管道Y向应变传感器，12为后端蒸汽管道外壁温度传感器，13为后端蒸汽压力传感器，14为弹簧支架Z向位移传感器，15为弹簧支架位置管道X向位移传感器，16为弹簧支架位置管道Y向位移传感器，17为弹簧支架1，18为蒸汽管道弯头处外壁温度传感器，19为蒸汽管道弯头处X向应变传感器，20为蒸汽管道弯头处Y向应变传感器，21为导向支架，22为导向支架X向位移传感器，23为蒸汽温度传感器，24为滑动支架，25为滑动支架X向位移传感器，26为滑动支架Y向位移传感器，27为控制器及计算机系统，28为加速度传感器。

采集数据之后，所有数据均要在计算机中进行处理，最后由系统进行风险评估，并展示在电脑界面上，方便运行人员随时查看。系统软件界面如图2所示。

评估系统可以进行相关参数设置，包含各个监测值的报警限值，采集频率和计算频率。在首界面上显示严重报警的风险点。同时可以进入专项页面，显示支吊架载荷、应力、位移等实时数据及趋势曲线图。

2 技术应用

某电厂1号锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的HG1900/25.4-WM10型超临界锅炉，单炉膛、一次中间再热、固态排渣、全悬吊结构∏型布置，设计燃料为无烟煤，采用双进双出磨煤机正压直吹式制粉系统，在前后拱上布置直流狭缝式燃烧器，采用“W”型火焰燃烧方式。BMCR工况下，主蒸汽流量1900t/h，过热蒸汽出口压力25.4MPa，过热蒸汽出口温度576℃，再热蒸汽出口压力5.33MPa，再热蒸汽出口温度574℃，给水温度284℃。主蒸汽管道设计材质P91。

利用风险评估技术对主蒸汽管道进行风险分析。

2.1 风险类型分析

根据现场检查，初步判断该厂主蒸汽管道可能发生的故障类型为，振动过大、交变应力过大、内应力及正应力过大、内外温差过大、支吊架损坏、管道局部泄漏或渗水。对该六类故障进行编号X1、X2、X3、X4、X5、X6。这六大故障存储在软件系统内部，根据各相关的变量状态，实时动态关联，提示运行人员系统存在何种失效风险。

2.2 应力分析

（1）收集主蒸汽管道信息。主蒸汽管材为A335P91，规格分别为OD540×80、OD575.1×84、OD609.6×100、ID445×81、ID318×57，设计工作温度为576℃，设计工作压力为25.4MPa。

（2）根据收集到的图纸，进行建模，考虑到没有进行过管道本体的维修及管道更换，因此按照设计图纸建模。主蒸汽管道三维模型图如图3所示。

（3）仿真计算

模型建立之后，需要赋予模型材料特性，并加上力载荷和温度载荷;同时还需要通过资料收集确定了应力分析所需要的各种参数，确定其取值。

主蒸汽管应力分析参数取值如表1所示，材料为A335P91，设计运行温度为576℃，设计运行压力25.4MPa。

确定参数后，利用CAESAR II软件分析计算，得到管道最大应力及其所在位置，便于后续应力状态监测参考限值的确定以及应力检测传感器位置确立，在图3中已标注。本次计算结果如表2所示，分别计算出一次应力和二次应力，作为不同工况时的监测比较值。

根据CAESAR II软件分析，得到最大热位移数值及支吊架最大载荷，分析得到四个阻尼器的受力设计值分别为168976N、173717N、176474N、166969N。

2.3 在线监测和动态分析

主蒸汽管道热态位移较大的5个位置设计值与实测值比较。（表3）

实测四个阻尼器受理结果分别为221064N、221068N、206186N、216519N。（表4）

从以上分析和实测数据，可以得知，在管系中各支吊架处于正常状态下，其一、二次应力均能满足管道安全运行要求，管道应力合格。但实际上管道的阻尼器受力及管道关健节点热态位移均偏离设计值。

根据运行监测信号，系统自动计算得出故障类型X1、X2、X3、X4、X5、X6风险等级（按照高中低三个超限预警值计算而来）。

2.4 支吊架检验与调整

根据风险提示，开展针对性的支吊架检查。检查结果如表5所示。

针对故障情况，开展调整工作。调整项如表6所示。

3 结束语

风险评估技术是针对高温蒸汽管道进行潜在故障类型进行分类，收集资料建立模型开展正常工作工况下应力、振动及热位移分析，再结合在线状态监测系统分析运行中的管道系统状态的风险预警点，然后开展有针对性的支吊架检验与调整工作。这一技术解决了支吊架检验过程中的过量检修、检修不足、检修无针对性等问题，经济高效，且为电力行业提供了一套高温金属管道状态实时监控系统，具有很强的推广价值。

参考文献：

[1]西安热工研究院.发电设备状态监测与寿命管理[M].北京：中国电力出版社，2013：78-93.

[2]程勇明，马红，王军民，等.大口径高温高压管道下沉分析[J].工业安全与环保，2016，42（9）：58-60.

[3]余成长，唐璐，仇云林，等.主蒸汽管道下沉原因分析及治理[J].广东电力，2010，23（7）：69-71.

[4]欧国鑫.主蒸汽管道沉降故障分析及整治[J].特种设备安全技术，2019，3：7-8.

[5]王富楼.邹县电厂5号机组主汽管严重位移分析与研究[D].河北保定：华北电力大学，2004：3-10.

[6]童良怀，刘震杰，蒋文焕.热电锅炉主蒸汽管道安全状况分析与应对[J].工业锅炉备，2018，3：42-44.

[7]王光林，马强，于涛.低温再热蒸汽管道下沉原因分析及处理措施[J].中国高新技术企业，2016，18：360-370.

[8]魏红明，范佩佩，魏江，等.主蒸汽管道恒力弹簧吊架应力分析与疲劳寿命预估[J].发电设备，2019，33（6）：381-385.

[9]电力行业金属材料标准化技术委员会.火力发电厂管道支吊架验收规程：DL/T 1113-2009[S].北京：中国电力出版社，2009.

[10]沈观林.应变电测技术新发展及在反应堆结构等工程中的应用[J].原子能科学技术，2008，8（42）：681-683.