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.

关键词:汽水管道;热胀位移;异常;支吊架;载荷偏差

中图分类号:TM６２１．４文献标志码:A文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０４Ｇ０２５６Ｇ０６

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.

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.

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

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.

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[１０Ｇ１１].

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.

(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

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