超超临界机组主蒸汽管道下沉原因分析及管系优化

苏州热工研究院有限公司 陈 骋 张郑磊 河北蔚州能源综合开发有限公司 耿 严

1 引言

支吊架是热力管道系统中的一个重要组成部分，对热力管道系统起着支撑管道重量、平衡介质反力、控制管道对连接设备的推力和力矩、防止管道振动和限制管道位移等作用[1]。随着机组容量的增加，热力管道系统也愈加复杂，对管道支吊架也提出了更高的要求[2]。蒸汽管道系统中，支吊架的运行状态正确与否是影响管道安全的重要因素。支吊架的失效会导致管道偏离原有的设计状态，对管道系统及相关设备造成重大安全隐患，进而影响机组的安全可靠运行[3]。

对某超超临界机组管道支吊架进行热态目视勘查时，发现主蒸汽管道炉右侧（锅炉3层至5层）#26、#28、#29、#30及# 31等连续5组恒力弹簧吊架的位移指针，均卡死于下极限。初步判断，主蒸汽管道在该管段下沉现象，如图1所示。通过开展管道支吊架详细检查、管道各点标高实测、支吊架运行状态在投运前与投运三年后冷、热态详细对比等工作，确定主蒸汽管道炉右侧管段下沉量最大为520mm。

图1 主蒸汽管道布置

结合现场检查、恒力弹簧吊架性能测试、管件参数测量、管系有限元分析校核计算、分析等结果，对主汽管系下沉原因进行了分析，并制定了该管段下沉的优化整改方案。整改后，通过现场冷、热态检验，主蒸汽炉右侧管道的膨胀情况与支吊架运行状态良好。

2 主蒸汽管道下沉原因分析

通常，引起管道下沉的常见原因主要有以下几个方面，设计原因、安装原因、运行后的非正常工况原因以及产品质量原因[4]。

2.1 主汽管道应力校核计算

应力校核计算采用的有限元软件为Caesar II[5]。经过应力校核计算，主蒸汽管道的一次应力和二次应力均在规程要求的允许范围内，设计的各支吊架处于正常工作状态，其一次、二次应力均能满足管道安全运行的要求，整个管系应力合格。其中，主蒸汽管道#26、#28、#29、#30与# 31恒力弹簧吊架的校核计算结果与设计数据一致。

2.2 主汽管道与支吊架基建安装记录检查

对主蒸汽管道与支吊架安装记录进行检查，结果显示支吊架的安装形式、安装位置、偏装量等均满足设计要求；管道的规格、型号、材质、表面检查、标高偏差、水平管道弯曲度、管道坡度与立管垂直度等均满足相关标准要求。

现场管道各点标高进行测量，除#24至#33吊架所在下沉管段外，其余管道安装标高符合规范和标准要求（±15mm）。

2.3 投产后机组运行情况检查

经运行人员反馈，机组投运至今，机组运行状态良好，无大的地震发生，未发生剧烈的振动与冲击；现场检查未发现管道剧烈振动后留下的滑动或撞击等痕迹，排除了管道遭受到过剧烈冲击（汽、水冲击）的可能。

2.4 恒力弹簧吊架载荷性能测试结果与分析

电测法的基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变应力关系确定构件表面应力状态的一种试验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片黏贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。

本次测试对主蒸汽管道恒力弹簧吊架载荷情况进行实时监测与记录，组成全桥测试通，采样频率为10Hz，分析频率为3.91Hz，连续采样方式。恒力弹簧吊架载荷测试目标主要为两个：力支吊架的荷载偏差值不大于5%；恒力弹簧吊架上下位移的整个行程范围内的荷载离差应不大于6%。

系统主要由表面式电阻应变计、数据采集卡、动态信号采集仪与计算机软件平台组成，现场测试情况如图2所示。

图2 测试系统构成与现场测试情况

对于支吊架，考虑到圣维南原理，电阻应变计测点位置选择在距离吊杆中部的名义应变处，并选择全桥布置形式，提高测试精度，如图3所示。

图3 传感器全桥布置方法

主蒸汽管道恒力弹簧吊架整定位置的荷载测试结果见表1。

表1 主蒸汽管道恒力弹簧吊架荷载偏差测试结果

测试结果显示，各组恒力弹簧吊架荷载偏差度均超过5%，下沉管段的#26、#28、#29、#30、#31、#32与# 33恒力弹簧吊架的实测整定载荷比设计整定载荷小了146645N。恒力弹簧吊架的载荷不随吊点处管道垂直位移的变化而变化，载荷基本保持恒定，对管道向下/上的冷/热位移没有约束作用，自限性差。在连续分布多组恒力弹簧吊架的管段，吊架的性能要求严格，一旦大吨位吊架或多组吊架性能无法满足设计载荷需求，易引发管道下沉。主汽管道#26、#28、#29、#30、#31、#32与# 33恒力弹簧吊架为连续分布的恒力弹簧吊架，吊架实测整定载荷远小于设计整定载荷。

根据管道应力校核计算、基建安装检查、机组运行状况核实、管道尺寸测量与支吊架外观检查、吊架载荷性能测试等结果，可以得到结论该管段两个刚性吊架之间的恒力弹簧吊架存在质量缺陷，吊架性能不满足设计要求，导致该管段发生了不止一次的下沉。吊架的质量缺陷是造成主蒸汽管道下沉的主要原因。

3 主蒸汽管道下沉整改与管系优化

3.1 主蒸汽管道应力释放

主蒸汽管道炉右侧管道的沉降量过大，已经无法通过调整支吊架或简单的拉升管道来解决隐患，因此需要通过对管道切割，释放管道应力，重新调整管道坡度，并对更换的支吊架装置进行调整，消除各个节点应力超标隐患，确保管系应力水平恢复到合理状态

在#24吊架和#30吊架附近弯头焊缝处分别将主汽管道切开，消除区间内管道各个节点的应力超标现象。切口A 位于#30立管恒力弹簧吊架下游的弯管与直管连接焊缝处，切口B 位于#24恒力弹簧吊架上游的弯头与直管连接焊缝处，如图4所示。

图4 主汽管道切口位置

3.2 恒力吊架载荷精确调整

管道切开后，#30、#31、#32与#33恒力弹簧吊架（切管前这几组吊架已经锁定变为刚性吊架）所在管段的边界条件发生了变化，附加应力得到释放，管道应力重新分布。原设计荷载已不能作为调整标准，需要对该段管道进行有限元计算，得到切管后各个吊点的理论载荷，以此进行吊架载荷调整进一步消除管道附加应力。

利用应变电测技术的载荷测试手段，通过调节吊杆花篮螺丝的方式进行“人工加载”，调整各个吊架实测载荷结果见表2。

表2 “人工加载”实测载荷结果

3.3 调整管道坡度

对#30、#31、#32及#33吊架进行人工加载后，将切口A 上部管道切除80mm，使切口A 上下管道断面自由对接。主蒸汽管道支吊架系统性调整后，对#26、#28与#29恒力弹簧吊架所在水平管道坡度进行测量，测量结果为15.7‰（设计坡度为15‰），#32与#33恒力弹簧吊架所在水平坡度测量结果为8.4‰（设计坡度为8‰）。

4 优化后主蒸汽管道运行状态

机组运行后，主蒸汽炉右侧管道的各组支吊架运行正常，管道膨胀合理，各个吊点的热位移基本恢复到原设计80%。

5 结语

管道下沉会导致管道偏离设计需求，引起管系应力分布不合理，严重威胁机组的安全稳定运行。根据现场检查的结果、有限元数值分析、恒力弹簧吊架性能测试结果以及对其他运行机组管道支吊架调整项目的经验和对管系的系统分析，提出如下建议。随着机组容量和参数的提高，更多管道设计会采用恒力弹簧吊架承受管道自重荷载，同时承担大位移的热膨胀，这对支吊架的质量要求越来越高。现场吊架性能测试结果不合格率很高，建议扩大测试范围，尽快更换不合格支吊架，确保管系应力分布合理；机组正常运行期间，电厂运行人员在巡检过程中应对管道支吊架给予足够重视，发现问题及时汇报并采取有效措施。