火力发电厂汽水管道支吊架检验、改造与调整
   张超群
   (东北电力科学研究院有限公司,辽宁　沈阳　110006)
   摘要:火力发电厂汽水管道支吊架状态异常时,会改变管道的应力分布,影响管道的安全性。讨论了支吊架问题产生的原因及其对管道应力的影响,介绍了笔者10余年来在开展火力发电厂汽水管道支吊架检验工作中发现的问题及解决问题的方法。
   关键词:火力发电厂;汽水管道;支吊架
   [中图分类号]TK284.1　TM621.7+2[文献标识码]A[文章编号]1004 -7913 (2005) 04-0001-04
   火力发电厂汽水管道的破坏原因有多种,但都可归结为管道的实际应力超过了其材料的承载能力。对于任何一个受力部件,只要其应力低于材料的实际强度,就不会发生破坏,而当应力达到或超过材料的强度时,再好的材料也会发生破坏。因此,确定汽水管道的安全性时不仅要考虑其材料性能,还应考虑管道的实际应力情况。
   汽水管道的应力通常由内压、自重、热膨胀等产生,其中自重、热膨胀产生的应力主要取决于管道及支吊架的布置。
   在管道安装完毕后,管道布置和管道尺寸已经固定,因而其内压应力是确定的。但由于安装、运行及检修等多方面原因,管道、支吊架布置及载荷可能与设计要求偏离,特别是经过长期运行后管道的热位移与支吊架载荷可能发生大的改变,由此可能造成管道热位移受阻、支吊架损坏、脱空或压死等,使管道的局部应力增加,加速管道的损伤,影响到管道的安全性。因此,对长期运行的汽水管道支吊架应进行检验和调整。
   1　支吊架载荷对管道应力的影响
   按管道设计时进行强度校核的要求,常把管道的应力区分为环向应力、轴向应力及热胀应力,其中环向应力主要考虑内压折算应力,计算公式为
   
    向弯曲应力与管道截面中的弯矩成正比,如把水平管道看作是由支吊架支撑的简支梁,则管道截面中的弯矩与支吊架间距的平方成正比。当水平管道上的1个支吊架脱空时,支吊架间距增加到2倍,则由自重等引起的轴向弯曲应力增加到4倍。由此可见,支吊架失效时对管道应力的影响是非常大的。
   热胀应力为二次应力,是一种通过管道各部分的变形协调来平衡的内应力。如果某一支吊架的状态失常,将改变各部分间的协调关系,改变热胀二次应力在管道各处的分配。例如,水平布置的蒸汽母管大多由滑动支架支撑,为降低其热胀二次应力,都设置有П型补偿器,管道的热膨胀由补偿器吸收。若滑动支架受阻,管道的热膨胀传递不到补偿器,直管中的热应力将急剧增加。
   2　汽水管道支吊架检验中发现的问题
   a.刚性支吊架卡涩、松动或脱空
   刚性支吊架包括滑动支座、导向支座、固定支座和刚性吊架,其作用是根据控制管道应力的需要限制管道在支吊点处沿某一个方向(通常为垂直方向)或多个方向的位移而允许其余方向的位移。
   实际检验时发现,由于集灰、锈蚀、变形或错误施工等原因,经常有滑动(导向)支架由于卡涩而不能移动,或者由于滑动付之间脱离而悬空,甚至有滑动付之间被焊死而不能移动的情况。
   因为固定支座并不是直接将管子焊死,通常是采用2个管箍用螺栓将管子抱紧,经反复启停和长期运行后,经常出现固定螺栓松动的现象。
   刚性吊架的脱空也是支吊架检验中常见的问题之一。究其原因,刚性吊架的冷态脱空主要是在安装或维修后没有将其调紧,刚性吊架的热态脱空主要是实际热位移方向与预计的不一致。
   b.变力弹簧支吊架的弹簧压死、脱空或弹簧锁死
   变力弹簧支吊架的作用是当吊点处管道存在垂直热位移时通过弹簧的变形使吊点保持承载,但支吊架载荷(吊点载荷)发生变化。对弹簧吊架的要求是弹簧能自由、均匀地变形,并且其载荷在规定的范围内变化。
   电厂汽水管道弹簧支吊架的弹簧可分为整定式弹簧和非整定式弹簧两大类。整定式弹簧是由弹簧、壳体、压盖、载荷和位移指示器以及锁定装置等组成的一个支吊架组件,带有“冷”“热”态位置标志的载荷和位移刻度板,由刻度指针可以清晰地显示出支吊架在冷态和热态时的载荷和位移。国内从20世纪70年代末开始使用整定式弹簧,在80年代后期设计的机组中才大量使用整定式弹簧,而此前的机组中,基本上都是使用不带载荷及位移指示的裸露式弹簧。这类弹簧吊架的缺点是弹簧容易积灰,不能直观地反映出吊架载荷。
   在对各电厂的弹簧支吊架进行检验时发现的主要问题是弹簧压死和脱空,其中多发生在服役时间较长的裸露式弹簧吊架上。分析其原因,除了运行时间长、启停次数多等因素外,早期设计中的计算误差较大、弹簧性能的偏差较大、管道保温重量越来越轻以及对管道的检修等都会对支吊架的载荷产生影响。运行时间较短的机组基本上采用整定弹簧,弹簧支吊架的问题相对要少,但由于整定弹簧的载荷变化范围较小,实际载荷与设计值不能有太大的偏差,否则更容易造成弹簧的压死或脱空。
   对汽水管道进行水压试验时通常都要求把弹簧吊架的弹簧锁死。整定弹簧通常都设计有锁定装置,但实际上能用的不多。国内制造的整定弹簧锁定装置多采用销钉结构,只有当弹簧的实际冷态载荷与设计值xx一致而使弹簧压板与外壳上的销钉孔xx吻合时才能安装上销钉,在大多数情况下,销钉根本安装不上。国外制造的整定弹簧有采用鱼尾板作锁定装置的,使用效果比销钉装置要好。对于非整定的裸露式弹簧,进行水压试验时通常用钢筋将弹簧的上下盖板间焊死,待水压试验完成后再将钢筋去除。对运行中的支吊架检验时发现有钢筋未去除的情况,相当于弹簧吊架变成了刚性吊架,将改变管道的应力分布。另有电厂为了使检修后的弹簧工作状态与检修前一致,在检修停炉前将弹簧焊死,使弹簧吊架在整个启停过程中变成了刚性吊架,xx改变了管道的载荷和应力分布。
   c.恒力吊架的压死和脱空
   恒力弹簧吊架的特点是当吊点处发生垂直位移时吊点的载荷基本保持不变。如管道吊点处的热位移较大,采用弹簧吊架时其载荷变化也将加大。早期的做法是将多个同型号的弹簧串联,降低支吊架的刚度,将冷热态下支吊架的载荷变化控制在适当的范围内。现在多采用恒力弹簧吊架。
   因为恒力弹簧吊架承担的载荷是恒定的,当吊点的载荷大于或小于指定的载荷时,恒力弹簧吊架不能像变力弹簧吊架一样依靠弹簧的变形对载荷进行调整,多余的载荷将向相邻的吊架转移,或引起恒力吊架的压死或脱空,因此,恒力吊架的使用应以准确的载荷计算为前提。
   在对恒力吊架的检验中发现的主要问题是吊架的压死和脱空,由于吊架压死而出现过吊杆断裂的问题。此外,多次发现在安装、检修或水压试验后未及时将锁紧销拔除的现象,使恒力吊架变成了刚性吊架,对于垂直热位移非常大的吊点,将使吊架严重超载或脱空。
   d.管道热位移受阻
   管道热位移受阻的问题通常是由于对管道布置的设计考虑不周所引起的,受支吊架性能的影响不大,但管道热位移受阻将对支吊架载荷和管道应力产生较大的影响。对于大容量机组,因管道尺寸大,刚度也大,当热位移受阻时,管道对基础结构的反作用力非常大,可能引起结构的破坏,检验中曾发现由于管道热位移受阻而使厂房结构梁柱开xx形的情况。因此,在进行管道支吊架检验时应注意检查管道的热位移情况,确定是否有热位移受阻现象。
   e.管道振动
   汽水管道的设计主要按其静强度考虑,虽然在管道支吊架间距的选取兼顾了管道的振动特性,但通常并不做动力分析,一般采取出现振动后再处理的事后处理策略。
   汽水管道的振动与管道自身的振动特性(刚度、固有频率等)和汽水介质的特性(流速、稳定性等)有关。在管道设计时规定{zd0}支吊架间距是为了使管道的固有频率不至于过低,但实际上,管道的固有频率不仅与支吊架间距有关,还与支吊架的类型有关。虽然在管道静力分析中对刚性吊架和滑动支座按等同考虑,但实际上其对管道固有频率的影响不同。刚性吊架可提高管道铅垂方向的刚度,对其水平面内的刚度无影响,而滑动支座由于有摩擦力的作用,将同时提高管道在铅垂方向和水平面内的刚度。
   对电厂管道及支吊架进行检验时发现,振动主要存在于主给水管道上,其中振动最严重部位大都在锅炉侧,且各电厂的主给水管道振动有一个共同的特点:振动的严重程度随给水泵的不同而改变,在投某一给水泵时管道振动可能轻微或无振,而在改投其他给水泵时管道的振动可能会非常厉害。从上述现象看,给水泵的给水特性不同应该是引起振动的直接原因。对给水泵进行处理是解决问题的{zh0}办法,但实际上许多电厂都做不到。根据振动的特点,虽然不能从振源上对振动进行根本性的解决,但如果改变管道的固有频率,同样可降低或避免管道的振动。通过采用增设支吊架使管道的刚度加大而提高其固有频率的方法,对多个电厂的管道振动进行了处理,大部分管道的振动已xx。但由于多方面因素的影响,有个别管道的振动减小了,未能xxxx。
   管道的刚度与强度是一对相互矛盾的问题。增中管道刚度后,将对管道的热位移产生约束,可能使管道应力增加,其安全裕量相应降低,加速管道的损伤。因此,管道刚度的增加要在尽量保持低应力的情况下,只要管道不振即可,千万不可使管道的刚度过大。对于每一个改造方案都必须进行严格的应力计算。
   f.其他问题
   除上述问题外,汽水管道支吊架还存在设计安装不合理、检修时随意更改支吊架结构、支吊架备件不采用标准结构等问题,如2003年在对某电厂支吊架进行检验时发现炉顶主蒸汽管道和再热(热段)蒸汽管道全部脱空。其原因是所用的恒力吊架载荷过大。另外,大多数支吊架在安装时未注意到运行后如何检验的问题,标牌未朝向有利于观察的位置,难于接近支吊架。
   3　汽水管道支吊架的改造和调整
   鉴于支吊架状态对管道安全性的影响,在《火力发电厂金属技术监督规程》中明确规定应对状态异常的支吊架进行调整。状态异常是相对于管道设计时的有关支吊架原始设计数据而言的,实际管道支吊架由于各部件重量尺寸等的误差及安装等原因,大都很难调整到设计值。因此硬性要求按设计值调整支吊架有时根本就无法实现,而未调整到设计值的支吊架相当于没有设计数据,不能保证管道的安全性。
   为了既考虑到管道支吊架的现实状况,又能保证管道的安全,自1993年开始,我们专门对以实际状况为基础的管道支吊架改造和调整方法进行了研究,经在上百条汽水管道上进行应用,已成为完整实用的方法,并在国内推广。
   3.1　基本原则
   调整支吊架的目的是为了保证管道的应力水平不超过一定值。主蒸汽管道为一超静定的曲梁,满足其应力条件的支吊架布置及载荷分布可以有各种组合。对于实际管道支吊架,若能根据实际载荷进行管道应力计算,仅对那些确实使得管道应力过高的支吊架载荷进行调整,既可减少强行将支吊架载荷调整到设计值所需的工作量,又能避免调整不到位所产生的管道应力数据不准的问题。因此,首先确定各支吊架的实际载荷,然后根据实测结果对管道进行应力分析,根据应力结果确定哪些支吊架载荷需要调整。
   3.2　特点
   传统的支吊架参数是由管道设计时计算确定的,管道及支吊架各部件的制造和安装服从于设计,超过设计允许范围的误差无法考虑,实际上难于做到。
   本方法以管道的现实状况为基础,以保证管道应力水平为标准,充分考虑管道和支吊架各部件的实际参数,不强求与设计参数一致。
   3.3　载荷确定
   常用管道支吊架型式有固定支吊架、滑动(滚动)支吊架、刚性吊架、弹簧支吊架、恒力吊架等,其中仅有弹簧支吊架和恒力吊架可确定载荷,其余类型支吊架载荷可根据位移条件由力学分析得出。汽水管道支吊架中需要确定并调整其载荷的仅为弹簧支吊架。
   根据我们对20多个弹簧进行的试验,弹簧的自由高度和刚度值与标准值的误差很小,基本在弹簧标准所规定的允许范围内。因此,对于非整定的裸露式弹簧可根据实测弹簧高度计算出弹簧吊架的载荷,对于整定弹簧可采用标准给出的载荷。
   3.4　管道应力计算
   较早的管道应力都是用手工方法计算的,计算结果精度较低,是早期管道支吊架实际参数与设计差别较大的原因之一。现在的管道应力计算都采用以有限单元法为基础的电算方法,各计算程序的差别主要在前后处理上,在计算结果的准确性上没有太大的差别。
   设计部门进行管道应力计算的目的是根据一定的强度条件对支吊架布置及载荷进行设计,其计算方法是先根据设计规程确定管道走向及支吊架的位置,由计算程序根据管道支吊点处的热位移和载荷确定支吊架型式及参数,提出各支吊架的设计和安装图纸。此种计算对管道及支吊架部件的重量和保温的重量等都是按理论值考虑的,对安装过程中可能出现的误差无法考虑,因此,实际支吊架的载荷和热位移可能与计算值不同。与其相反,我们进行的计算是以管道及支吊架的实际状态为基础的,根据管道实际布置、管道及保温实际重量、各支吊架实际载荷进行计算,只要求管道及支吊架的强度满足要求,而不管其是否与原设计值一致,由此既可保证管道的应力在一个合理的水平,延长管道的寿命,又可以减少调整支吊架的工作量。
   3.5　管道热位移计算
   管道的热位移计算工作是在进行管道应力计算时同时进行的。无论是按设计数据进行计算还是按实测管道数据进行计算,管道的实际热位移通常都与计算值有一定差别,这与管道实际膨胀时可能受到的阻碍有关,而膨胀受阻将引起管道的热胀二次应力的变化。通过将计算位移与实测位移进行对比,可确定管道是否存在热位移受阻的情况。如在对某电厂3号机组主蒸汽管道支吊架进行检验和调整时,发现其立管的实际水平位移比计算值小得多,经检查发现立管保温紧贴在梁柱上,相当于立管受到了有限位移约束,在将此约束加入到应力计算模型后,整个管道的位移计算结果与实测结果吻合得较好。
   4　结束语
   支吊架状态的好坏直接影响到管道的安全性,虽然汽水管道的大多数问题出现在带缺陷焊口等材质薄弱部位,但如果没有过大的应力作用,有些事故就不会发生。因此,从管道安全性考虑,除应控制管道的材料性能、焊接质量等因素外,应加强对管道支吊架问题的检查和处理。
   从检验结果看,各电厂无论新老机组的汽水管道支吊架都存在一些问题,其中大部分问题在管道运行初期就已经存在,随着运行时间的延长而逐渐严重。另有一部分问题是由于更换保温、对管道进行施工或随意改造支吊架等原因造成的。
   对于汽水管道支吊架的检验工作,应采取重点检验与长期监督相结合的原则。建议对每一条受监督的蒸汽和主给水管道都应进行一次全面的支吊架检验工作,包括对各支吊架载荷的确定和管道应力的计算工作。此后若管道无重大更改且没有发现严重的支吊架问题,则无需再进行全面检验,只需定期对各支吊架进行宏观检查监督即可。