火电厂汽水管道热胀位移异常综合评估及处理

火电厂汽水管道热胀位移异常综合评估及处理
刘明;郭延军;何桂宽;陈锐
【摘要】基于火电厂汽水管道热胀位移异常的重要危害,总结了以往相关项目的原因分析及处理经验,归纳了可能影响热胀位移异常的主要因素;并结合管道应力计算分析进行了全面的危害性评估,建立了完整的汽水管道热胀位移异常评估及处理流程;最后进行了典型案例分析,为以后类似故障的处理提供参考.案例分析结果显示:管道支吊架实际工作载荷与实际需求载荷偏差较大,是引起大部分管道热胀位移异常的主要原因.%Based on the important hazards of the abnormal thermal expansion displacement of steam and water pipelines of thermal power plants,the cause analysis and the processing experience of previous related projects were analyzed and summarized,and the main factors that might affect the abnormal thermal expansion displacement were summed
bined with the pipeline stress calculation and analysis,a comprehensive hazard assessment was conducted,and a complete assessment and treatment flow of the abnormal thermal expansion displacement of steam and water pipelines was established.Finally typical case analysis was carried out to provide reference for the treatment of similar faults in the future.The case analysis results show that the large deviation between the actual working load and the actual required load of pipeline suspensions and supports was the main reason for the abnornal thermal expansion displacement of most pipelines.
【期刊名称】《理化检验-物理分册》
【年(卷),期】2018(054)004
【总页数】7页(P256-261,264)
【关键词】汽水管道;热胀位移;异常;支吊架;载荷偏差
【作者】刘明;郭延军;何桂宽;陈锐
【作者单位】华电电力科学研究院,杭州310030;华电电力科学研究院,杭州310030;华电电力科学研究院,杭州310030;华电电力科学研究院,杭州310030
【正文语种】中文
【中图分类】TM621.4
火电厂汽水管道是传输汽水介质的重要组成部分，尤其是作为火力发电厂输送高温、高压介质的汽水管道，其安全性对整个电厂至关重要。

由于金属材料所固有的热胀冷缩特性，汽水介质管道在运行状态下会产生一定的热膨胀量，宏观上表现为管道的热胀位移。

在进行管道布置设计时，为避免管道内部应力超标，一般会通过严格的计算后布置合适的弹簧(含恒力弹簧)支吊架以及弯头(或弯管)以补偿管道的热膨
胀量。

管道位移异常将会导致一系列的严重危害，笔者总结了以往相关项目的原因分析以及处理经验，建立了汽水管道热胀位移异常评估及处理流程，为以后类似故障的处理提供借鉴。

1 管道热胀位移异常的危害
管道热胀位移异常对管道本身以及连接设备的安全性都有着重要的影响，首先汽水管道热胀位移异常将导致管道正常热胀位移状态改变，对管道产生不正常的约束，使管道的热胀冷缩受到不合理的限制，增加管道二次应力；管道位移异常还将导致
吊点载荷重新分配，势必使得局部管段吊点载荷增加，从而提高相应管段的一次应力；管道应力水平升高可能导致管道的直接破坏，也将直接影响管道的寿命，为机组的长期安全运行埋下隐患。

同时吊点载荷重新分配后还可能导致部分支吊架过载或失载，甚至失效，进一步改变支吊点的特性，从而加剧管道热胀位移异常的情况，形成恶性循环。

管道热胀位移异常对管道安全性及寿命的影响过程如图1所示。

图1 管道热胀位移异常对管道安全性及寿命的影响过程Fig.1 Influence process
of abnormal thermal expansion displacement of pipelines on the pipeline safety and life
在管道系统的设计计算中，还会考虑管道对设备的推力和推力矩，并通过对管道的科学布置以及相应支吊架选型的合理优化，使得管道在工作状态以及冷态下的端口推力和力矩最大值满足设备安全承受要求。

汽水管道热胀位移异常后将改变管道的原始计算条件，使得管道系统实际运行状态偏离管道最佳设计计算状态，从而增加管道端口对设备的推力和推力矩[1]，引起管道与设备连接的接口焊缝产生裂纹、
设备出现变形或非正常位移等情况。

同时设备的反作用力也会增加管道载荷，降低管道寿命。

管道热胀位移异常对管道及其连接设备的影响过程如图2所示。

图2 管道热胀位移异常对管道及其连接设备的影响过程Fig.2 Influence process
of abnormal thermal expansion displacement of pipelines on the pipelines and their connecting equipments
汽水管道的减振防振主要靠各型支吊架的固定和缓振作用，管道热胀位移异常导致吊点载荷重新分配后可能使得部分支吊架欠载甚至完全失载，从而部分或完全失去对该吊点处位移的合理约束和限制作用，造成管道在流体的冲击下出现失稳晃动；同时如果部分支吊架完全失载会使得管道吊点间距加大，降低管道固有频率，这些都将导致管道更容易出现振动情况[2]。

管道振动往往会引起一系列严重后果，例如:引起管道过度疲劳损伤，尤其会使得与其连接的小管道断裂；管件自身损坏，
焊缝出现裂纹；将振动传递到管道连接设备或者其他静止设备上，危及热力系统的安全运行[3]；管道振动还容易导致管道上的测量仪表出现数据偏差甚至错误[4]。

其危害过程如图3所示。

图3 管道热胀位移异常与管道振动的危害过程Fig.3 Hazard process of abnormal thermal expansion displacement and vibration of pipelines
由于设计、制造、安装、运行阶段的偏差，火电厂汽水管道热胀位移异常(或出现一定的偏差)也是一种较为普遍的现象，但是由于管道热胀位移异常带来的危害往往是一个缓慢累积的过程，不太容易引起相关人员的注意，因而火电厂汽水管道热胀位移异常的情况往往被忽略,其危害性也往往被轻视，给机组的安全运行带来巨大的隐患。

随着机组容量和参数的不断提高，管道规格尺寸也不断增大，管道上布置的恒力吊架也越来越多，对管道热胀位移异常情况的控制能力变弱(承重支吊架有刚性吊架、变力弹簧吊架和恒力吊架3种。

其中:刚性吊架主要用于完全约束管系在吊点处垂直向下的位移;变力弹簧吊架承载力随管道支、吊点处管道垂直位移的增加而增大;前两种类型的吊架都具有一定的自调性，能够在一定的范围内承载管道增加的重量；而恒力吊架承载力不随吊点处管道垂直位移的变化而变化，即荷载保持基本恒定，因而恒力吊架不能额外增加载荷用以承担增加的管道重量，对管道向下位移没有任何约束作用)，因而汽水管道热胀位移异常的危害越来越明显。

因此，开展火电厂汽水管道热胀位移异常综合评估与治理技术研究，有着广泛的实际需求和重要的应用价值。

2 管道热胀位移异常原因分析
为更加系统细致地了解可能导致管道热胀位移异常的原因，全面梳理了火电厂汽水管道设计、制造、安装、运行等过程，并总结以往相关项目的经验，分析归纳了可能影响管道热胀位移异常的主要因素，如图4所示。

图4 影响管道热胀位移异常的主要因素Fig.4 Main factors of influencing
abnormal thermal expansion displacement of pipelines
管道支吊架是管道的主要承载部件，起着承担管道重量、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，其中管道支吊架从功能和用途方面可分为承重支吊架、限位支架和防振支架3大类，不论采用何种承重支吊架，
一条管道上的所有承重支吊架的总工作载荷应与该管道的有效载荷(含管道自重、
介质重量、保温层重量等)相匹配，支吊架载荷偏小将导致支吊架无法承受管道重量，造成管道不断下沉[5]；支吊架载荷过大也会导致整条管道或是部分管段热膨
胀位移受阻，宏观上表现为管道无法拉动吊架，吊架冷、热态指示不变[6]。

无论
出现上述哪种情况都将导致管道应力水平提高，管道与设备连接端口的推力和推力矩增大，严重时将危及管道的安全稳定运行。

管道实际重量与支吊架设计载荷不匹配主要表现在两个方面：一是设计计算阶段管道重量(含保温层、流体介质等重量)输入数据偏差[7]；二是支吊架计算选型错误(如未考虑管夹重量、吊点载荷未分配等)[8]。

由于在设计阶段很多结构的实际重量未知，因而计算输入的都是理论数据，而实际制造安装与设计图纸往往都有一定的偏差，包括管道壁厚偏差、内外径偏差、阀门重量偏差、支吊架部件重量偏差、保温层重量偏差等，这就造成按照计算结果进行选型的支吊架载荷与结构实际重量存在一定的误差，当重量偏差较大时，则难以通过支吊架的载荷调整来消除计算误差，从而引起管道实际热胀位移异常。

另外在根据计算吊点载荷进行支吊架选型时，可能由于人为失误而未考虑管夹重量或吊点载荷未平均分配(双拉杆吊架)等情况，这将导致局部吊点载荷偏差，从而使得部分管段热胀位移异常。

另外支吊架实际载荷偏差也会导致管道重量与支吊架载荷不匹配，主要包括以下几种情况[9]：①支吊架制造质量不过关,支吊架出厂性能不达标；②现场支吊架的错装、漏装，也将导致局部吊点载荷偏差，从而影响管道热胀位移；③随着运行时间的延长，在役支吊架的性能不可避免地会出现一定的退化，导致部分支吊架的工作
性能无法满足规范要求，甚至完全失效，进而改变支吊架载荷特性，导致管道热胀位移异常[10-11]。

最后，实际现场管道由于安装间隙不足或是后续其他加装的一些构件离管道太近，有可能阻碍管道的正常热膨胀位移，造成管道热胀位移异常。

另外还有一些情况，如原先管道有一定的振动情况，现场未经详细计算分析，随意加装了一些限制性装置以控制管道振动，这些装置很有可能阻碍了管道的正常热膨胀，同时在管道上设置了一个新的“死点”，这会改变整个管道的热膨胀形式，导致管道热胀位移异常。

3 支吊架检验技术方案
总结上述可能导致管道热胀位移异常的所有因素，有针对性地进行排查与处理，并结合管道应力计算分析结果进行全面的危害性评估，依据评估结果以及现场处理条件合理制定相应的管道热胀位移异常处理方案，具体技术路线如图5所示。

图5 管道热胀位移异常检查与处理技术路线图Fig.5 Inspection and treatment technology roadmap of abnormal thermal expansion displacement of pipelines
(1) 资料收集与宏观检查
资料收集与宏观检查主要包括管道系统布置、管道材料与规格、支吊架布置与类型、运行参数、支吊架设计载荷以及位移等数据，以及现场管道及支吊架运行状态、支吊架冷热态位移指示数据检查记录等，并结合设计计算数据对比管道所有吊点的实际热胀位移是否相符，重点关注是否有异常膨胀死点以及热胀位移反向的管段，需要注意的是管道实际热胀位移一般小于设计计算数值，如果遇到实际热胀位移大于设计计算数值的情况也应该重点关注。

(2) 原因检查分析
如果出现热胀位移不相符的情况应结合位移异常状态立即进行故障原因检查分析，主要手段包括现场异常限制情况检查、管道型号(直径、壁厚)检测、现场支吊架安
装相符性检查、在役支吊架性能测试[12]、支吊架选型计算核对等。

如管道出现异常下沉情况时，可重点进行管道型号(直径、壁厚)检测、在役支吊架性能测试、支吊架选型计算校核等，以便检验是否是管道重量超过支吊架实际总载荷。

如出现管道向下热胀位移为零的情况时，则应重点关注现场异常限制情况检查、支吊架选型计算校核等，以确认管道是否膨胀受阻。

(3) 管道异常热胀位移情况下的危害性计算分析
结合管道异常热胀位移对管道自身以及连接设备可能造成的危害，建立管道计算模型，将管道异常热胀位移情况作为原始边界条件进行输入，将计算结果与管道材料的许用应力、设备端口允许推力和推力矩进行对比，同时将计算结果与正常设计工况进行对比分析，定量地分析出管道异常热胀位移危害性的大小。

(4) 处理方案制定及实施
根据管道异常热胀位移原因分析结果，有针对性地给出相应的处理方案，常见的处理方案有：去除现场不合理或额外约束；更换不合格或性能失效的支吊架；根据最新的管道应力分析结果重新进行支吊架选型计算等。

并在机组停机检修时，按照处理方案进行调整施工，同时确保施工质量满足方案中提出的各项技术要求。

(5) 效果评估测试
机组重新启动并稳定运行一段时间后，进行详细地冷热态检查对比，并评价处理后的管道热胀位移情况是否满足要求。

其中管道支吊架的位移指示也能够直观地反映管道膨胀情况，因而加强管道支吊架的日常检查记录有助于有效掌握管道的位移状况，尽早地发现管道热胀位移异常类故障。

4 案例介绍
4.1 某300 MW机组高压给水管道热胀位移异常原因分析及处理
某电厂300 MW亚临界机组高压给水管道(锅炉侧)立体布置示意图如图6所示，
通过对管道的支吊架进行检查发现，2号和3号恒力吊架冷、热态指示均向上卡死，
显示出对应吊点的热位移为零，与设计值严重不符[8]。

图6 高压给水管道(锅炉侧)布置示意图Fig.6 Sketch map of layout of high pressure water supply pipeline (boiler side)
查阅相关图纸得到2号和3号恒力吊架的具体资料如表1所示，现场检查显示吊架安装规格以及型号与设计资料一致。

表1 高压给水管道2号和3号恒力吊架设计资料Tab.1 Design data of No.2 and No.3 constant force hanger forhigh pressure water supply pipeline吊架编号及类型吊点载荷/N热位移/mmΔxΔyΔz吊架选型2号双拉杆恒力吊架45620-51-139-6758H⁃63B178(139↓)/46343⁃M363号双拉杆恒力吊架42780-61-96-4358V⁃60G127(96↓)/30365⁃M36
管道应力校核计算显示2号和3号吊架对应吊点的设计载荷、位移正确，但该两吊架均为双拉杆恒力吊架，吊点载荷应平分配到两个吊架上，对比吊架选型中的载荷数据可知选型规格中的载荷标注错误，按此数据制造出来的吊架实际载荷远大于吊点载荷，从而造成管道无法拉动吊架，阻碍了管道的正常热膨胀。

由2号和3号恒力吊架冷、热态指示均向上卡死可以判断，管道在这两处的竖直向热膨胀被完全限制，2号和3号恒力吊架已完全丧失了恒力吊架的功能，退化为刚性吊架。

依据管道布置图纸，采用专业计算软件进行管道应力仿真计算，以理论设计状态为工况一，将2号和3号吊架给定为刚性吊架为工况二，对比两种工况在设计运行状态下的一次应力、二次应力以及管道与省煤器连接端口的推力和推力矩，计算结果对比情况如表2所示。

表2 两种工况计算结果对比Tab.2 Comparison of calculation results for two working conditions计算工况一次应力/MPa二次应力/MPa端口推力/N端口推力矩/(N·m)最大值许用值最大值许用值FxFyFzMxMyMz工况一45．5108．742．4275．5-2577-3426-8225-75323-63944-8888工况二
57．8108．7200．0275．598156168-5526-4109527162-1232055
计算结果显示工况二较工况一的一次应力有所提高，二次应力则显著提高，这主要是由于二次应力是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所产生的应力，管道局部竖直向热膨胀被完全限制后必然导致二次应力的显著增大。

同时由于2
号和3号吊架位置距省煤器连接端口较近，该管段固定卡死后，运行状态下管道
不能随着锅炉本体自由向下膨胀，导致端口推力和推力矩也显著增大。

最后依照正确的吊架选型方案将原有选型过大的吊架进行了更换，更换吊架后的检查结果显示该高压给水管道恢复了自由膨胀状态，2号和3号吊架所对应吊点的热膨胀位移正常，管道热膨胀受阻问题得到了解决。

4.2 某300 MW机组主蒸汽管道下沉原因分析及处理
通过对某电厂2×300 MW亚临界机组主蒸汽管道的支吊架进行检查发现，该管系上的恒力吊架、弹簧吊架普遍偏离设计冷、热态位置，恒力吊架冷、热态指示均处于理论值下方，甚至呈向下卡死状态；变力弹簧吊架呈过度压缩状态[13]。

经过冷、热态对比可知该主蒸汽管道热膨胀异常，管道明显下沉。

该主汽管道设计温度为545 ℃、设计压力为17.4 MPa，主管规格为ID368.3 mm×38.4 mm、支管规格为ID273.1 mm×29.2 mm，管道材料为A335P91钢。

参照前述处理管道下沉问题的流程，考虑判断管道重量是否超过理论设计值，并对该主蒸汽管道各管段的实际壁厚进行了测量，主要测量和计算结果如表3所示。

表3 主蒸汽管道壁厚测量及重量计算结果Tab.3 Results of wall thickness measurement and weight calculation of the main steam pipeline管段设计
规格/(mm×mm)计算规格/(mm×mm)设计规格线质量/(kg·m-1)实际平均壁厚
/mm实际管道线质量/(kg·m-1)重量增加/%主管
ID368．3×38．4ϕ445．1×38．4385．1544．0447．3916．2支管
ID273．1×29．2ϕ331．5×29．2217．6932．5244．9412．5
测量结果显示管道实际壁厚明显大于设计壁厚，由管道线质量计算结果可知主管和支管的实际重量较原始设计重量分别增加了16.2%和12.5%，管道重量增加导致
现有管道上的支吊架载荷与管道重量不匹配，即承重支吊架理论设计载荷不足以承受管道重量。

为更加准确地判断管道下沉对管系安全运行的危害，采用专业管道应力计算软件对相关管系进行了应力仿真计算，就理论设计状态与管道增重后的实际安装状态进行对比，计算所得的主蒸汽管道一次应力和二次应力对比情况如表4所示。

表4 主蒸汽管道一次应力和二次应力对比Tab.4 Comparison of primary stress and secondary stressof the main steam pipeline状态一次应力最大值/MPa二次应力最大值/MPa计算值许用值计算值许用值理论设计工况53．2108．481．5267．6实际安装工况72．5108．4102．4270．8注：主蒸汽管道应力计算采用主汽⁃高旁⁃冷段联合计算模型
计算结果显示管道重量增加后，主蒸汽管道的一次应力和二次应力均有显著增大，危及管道的安全运行。

针对以上支吊架载荷与管道重量不匹配的故障，根据实际管道规格重新进行了管道应力计算，并依据管道吊点载荷结果重新进行了支吊架选型，将原有不符合的支吊架全部进行了更换。

并在机组重启稳定后，对管道的膨胀、位移情况进行了持续检查记录，检查结果显示处理后的主蒸汽管道工作状态正常，各支吊架冷、热态均处于正常指示位置。

5 结束语
管道支吊架实际工作载荷与实际需求载荷偏差较大，是引起大部分管道热胀位移异常的主要原因；而引起火电厂汽水管道热胀位移异常的很多因素都是基建阶段产生并遗留的，如能在基建阶段通过有效的监督管理手段，尽早地发现管道支吊架设计、制造、安装缺陷，尽快地将故障隐患消除掉，可以为以后机组的安全稳定运行提供
有力的保障。

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