再热蒸汽管道弹簧吊架异常原因分析及处理

王新颖，黄 静

（1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山063200；2.西安益通热工技术服务有限责任公司，陕西 西安710032）

支吊架是电站锅炉管系的重要组成部分，主要起承受载荷、限制位置和控制振动的作用，因此管道支吊架状态的不当改变可能会引起管道局部产生应力集中，加速管道损伤，缩短管道寿命[1-3]。其中，再热蒸汽管道作为火电厂最重要的蒸汽管道，对管道和电站机组的安全运行起到至关重要的作用。本文根据某电厂机组再热蒸汽管道发生的支吊架管夹断裂及焊缝开裂问题，以断裂的卡块管夹为研究对象，通过分析其断裂失效的原因并建立有限元模型，对进一步提高支吊架安全运行提供参考。

1 问题简述

技术人员在某电厂机组管道支吊架检验时发现再热蒸汽管道热段单弹簧吊架存在异常，进一步打开保温层检查发现该吊架管夹U形螺栓从与螺母连接处断裂，管夹的限位卡块与管道间焊缝开裂，如图1所示。该卡块与螺母断裂问题严重威胁了该机组长期运行，埋下较大的安全隐患。

2 原因分析

经查阅原设计图可知，该单弹簧吊架布置于斜向上的管道上，工作载荷为130 kN，结构载荷为220 kN，管夹型号为SD1-HT.1025H，U形螺栓两端的螺纹为M56，管夹配置了两只梯形限位卡块（梯形卡块下底长150 mm、高280 mm）。经分析认为梯形限位卡块底部长度偏小及梯形限位卡块与管夹间间隙偏大导致卡块角焊缝弯矩过大，在焊缝连接处产生应力集中是造成U形螺栓断裂及限位卡块开裂的主要原因。为了进一步验证分析，利用ABAQUS有限元分析软件，建立包括管道、管夹及卡块有限元模型，再热蒸汽管道材质为A335P22，管外径和壁厚为1 035.0 mm×60.0 mm，弹性模量206 GPa，泊松比为0.3。根据蒸汽管道、管夹，卡块实际尺寸和位置及材料参数建立数值分析模型。管道与管夹之间通过接触属性设置连接，管夹所受到的工作载荷以集中力的方式施加于上部位置，检查模型网格和结果收敛性，结果如图2所示。基于检查分析和数值模拟分析，可以看出卡块与管道间焊缝应力集中，产生裂缝，进而导致螺栓断裂。

图1 再热蒸汽热段管道单弹簧吊架梯形限位卡块与管道间焊缝开裂

为了改善结构与处理开裂问题，本方案采取改变卡块布置以及调整卡块数量来减小支吊架螺栓与卡块的应力集中现象。

图2 原管夹卡块应力集中有限元模型

3 处理工艺

根据分析结果和有限元分析，依据D-ZD2010《发电厂汽水管道支吊架设计手册》，采用如下处理工艺：①将管夹的U形螺栓更换为U形钢带，U形钢带与螺栓间以轴承连接。管夹型号为791371020。②将管夹限位卡块配置为3块，其中，腰形卡块1只，腰形卡块两侧再配置卡块2只。原设计1只卡块承担的载荷由3只卡块来共同承担，从而减小单只卡块承担的载荷。由于腰形卡块底部总长为541 mm，与原来梯形卡块底部总长为150 mm相比，同样的吊顶载荷由更长的焊缝来承担，从而减小单位长度焊缝承担的载荷，并且减小了角焊缝处的应力。③腰形卡块中间的凹槽长度比管夹厚度仅大1 mm，将使卡块与管夹呈面接触，减小管夹对限位卡块焊缝的弯矩（目前管夹对梯形限位卡块的力作用于顶角处，同样的作用力会在角焊缝处产生更大的弯矩）。要求将原安装的两块梯形卡块去除，并在原位置安装腰形卡块。

建立包括管道、管夹及腰形卡块的有限模型，结果如图3所示，可以看到应力集中现象较前夹块降低一个数量级，且应力分布相对均匀，证明本改善处理的实用性及可行性。

图3 腰形卡块受力有限元分析模型

4 结束语

本文对再热蒸汽管道支吊架管夹断裂及焊缝开裂情况进行了分析，通过检查设计图纸和有限元分析，确定了该裂缝产生的原因主要是应力集中，在此基础上通过更换调整卡块数量和尾椎对管夹进行了工艺改造，为机组的安全运行提供了参考。