王建忠

(苏州热工研究所，江苏苏州215004)

    摘  要  介绍了火力发电厂四大管道的应力分析计算及其支吊架调整原理，阐明了管道支吊架冷/热态检查的内容，提出了根据计算结果、检查结果和《火力发电厂汽水管道与支吊架维修调整导则》（DL/T616-1997）开展支吊架维修调整的工作方法。

    关键词  管道支吊架  应力  检查  调整

1前言

    近年来，炉外汽水管道爆破呈频繁发生态势，给电厂安全生产带来重大损失，而火电厂的主蒸汽、再热蒸汽热段、再热蒸汽冷段和给水四大管道均为高温高压管道，其性能状况直接影响到机组的安全运行，应当予以重视。通过对支吊架合理调整，消除存在的缺陷和安全隐患，使管道受力均衡、膨胀自如，从而有效延长管道的使用寿命。

    管道的安全性问题，归结到一点，就是其材料强度与实际应力之间的关系问题，只要应力不超过材料的强度，就不会发生破坏。应力影响管道的安全性通常分为两种情况，一是应力大于材料强度，直接导致破坏；另一种是由于应力的存在对材料产生损伤，使材料强度逐渐降低，当强度降到与应力相等的临界值时产生破坏。实际管道中产生的破坏多是第二种情况。从应力角度研究管道的安全性，可从两方面进行考虑。一方面通过采取措施降低管道中的应力峰值，可以降低管道材料的损伤速度，防止一次性破坏事故，对管道支吊架的调整属于这方面的考虑。另一方面帮助确定管道中的最大应力位置、损伤严重部位及危险部位，以利于对管道的安全监督。

2支吊架调整原理

    管道在工作状态下承受的应力分为一次应力和二次应力。一次应力是指管道在内压、自重和其它持续外载(包括支吊架反力等)作用下所产生的应力；二次应力是指管道在热胀、冷缩或其它位移受约束时产生的应力。

    一次应力是由于外力荷载而使管道产生的正应力和剪应力，必须满足外部及内部的力或力矩的平衡法则。一次应力的特点是没有自限性，它始终随着外力荷载的增加而增大，不会随时间的延长而有所降低，当它超过某一限度，将使管道变形增加直至破坏。因此，要严格一次应力的数值，使其控制在相应的许用应力范围之内。管道在工作状态下，由内压、自重和持续外载产生的一次应力不得大于钢材在计算温度下的基本许用应力。

    二次应力是由于管道变形受约束而产生的正应力和剪应力，其本身不是直接与外力相平衡的，具有自限性的特点，即当局部屈服或产生小量塑性变形时，就能使工作状态下的热胀应力降下来。二次应力一般不会直接导致破坏，只有当应变在多次重复交变的情况下，才导致管道和附件产生疲劳破坏。因此，对于二次应力的限定，并不是指一个时间的应力水平，而是指交变的应力范围和交变的循环次数。管道由热胀、冷缩和其它位移受约束而产生的热胀二次应力应满足以下要求：

    式中，［σ］j20：钢材在20℃时的基本许用应力；［σ］jt：钢材在计算温度下的基本许用应力；σf ：热胀当量应力，取计算管系上危险断面的应力值；M ：热胀当量力矩，按全补偿值和钢材20℃时的弹性 模量计算。

    若所计算的热胀当量应力不能满足上述要求，但内压、自重和持续外载的一次应力低于［σ］jt时，允许将一次应力未用足的这部分许用应力加在二次应力验算的许用范围内，以扩大二次应力的许用应力范围。此时，应准确计算持续外载产生的应力。管道由热胀产生的二次应力和内压、持续外载产生的一次应力的最大合成应力（三次应力）不得大于钢材在20℃时和在计算温度下的基本许用应力之和的1.2倍。

    通过管道应力计算可以了解汽水管道在承受内压、自重支吊架反力以及热胀位移受约束的情况下管道各节点的应力水平，确定管道的最大应力位置和最大应力值。然后对照上述（1）（2）（3）要求，比较管道的一次、二次和三次应力是否超标，从而采取相应的措施予以解决。

    从力学角度分析，决定管道系统应力的主要因素有：管道内压即管道运行压力；管道(包括管道、管件、阀门等)及保温层自重；支吊架配置与荷重；管道的空间布置；管道的冷、热态温度。内压、管道及保温自重、和支吊架配置三方面决定了管道一次应力的大小；支吊架配置、管道空间布置与管道运行温度，决定了二次应力水平。通过应力分析发现决定管道系统应力水平的关键因素是管道运行压力、运行温度、管道布置和支吊架状态。运行压力和温度通常按设计要求变化很小。在役机组管道布置及特性已定。因此，从宏观角度分析，支吊架(位置、类型与运行状态)决定管道系统的应力水平与安全性。

    可见，支吊架的配置(位置、类型)、承载及热位移对于在役管道的安全可靠运行具有非常重要的作用。管道支吊架检验与调整，就是为了校验支吊架配置、承载及热位移的正确性，评估支吊架系统的安全运行水平，消除支吊架存在的直接与间接隐患，通过支吊架的调整来改善管道的一次应力与二次应力水平，延长管道运行寿命，达到动力管道安全经济运行之目的。

3支吊架检查

3.1管道设计、竣工和改造的相关技术资料审查

    查阅管道设计资料、管线在设计状态下和在竣工状态下的轴测布置图。将设计资料中给出支吊架的位置、编号、类型与相关的支吊架施工图进行核对，审查两者是否一致。查阅并记录管道设计参数、管道实际运行参数以及支吊架的历次检验和更改记录。如果管线进行过改造，还需审查管道改造方面的设计资料和施工记录。对查阅过的资料进行整理，给出所有要检查的支吊架清单及冷热态检查项目。

    同时为了进行管系应力计算，需要整理以下四类基本参数：

    管件材料性能，包括弹性模量、材料许用应力、线胀系数等；运行工况，如运行温度、压力及其波动范围等；各种管道口径的几何尺寸，弯管形状及尺寸、三通类型等；管道的保温状况。

3.2管道及支吊架冷/热态检查

    在机组停运的之前和之后，分别对管道及支吊架进行热态/冷态现场检验，记录各个支吊架存在的问题，对重大缺陷拍照记录，得到一套完整的管道及支吊架运行状态报告。主要检验内容有：

    总体状态

    检查支吊架是否有损伤或劣化的迹象，如构件外表面变形和腐蚀等。

    检查管道是否遭受过大幅度的冲击荷载或剧烈振动，如造成元件变形、焊接接头开裂、固定螺栓松弛或水泥碎裂等。

    检查管道热膨胀是否受建筑物或结构件的。

    检查管道保温是否良好，是否存在局部裸露运行的情况。

    支吊架功能件

    检查弹簧状态是否发生过载压死、失载悬空或折断的情况。

    检查弹簧机构的可操作性，确定其是否完整有效、弹簧线圈内部有无腐蚀物积聚、有无卡涩、弹簧压板是否被吊杆顶死等。

    确定安装和水压试验用锁定机构是否已解列并保存好。

    支吊架连接件

    检查吊杆状态以确定吊杆是否扭曲、弯曲或从原始设计处改变。

    检查吊杆锁定螺母是否完好锁紧。

    支吊架根部

    承载结构与根部辅助钢结构是否有明显变形，主要受力焊缝是否有宏观裂纹。

    校验支撑结构的接头条件（焊接接头、螺栓、杆眼等）。

    校验连接的基板与设计相符。

    支吊架管部

    确定卡箍或鞍座是否与管道正确连接，零部件是否有明显变形。

    检查立管抱箍挡块与管道间角焊缝表面是否有宏观裂纹。

    检查承载螺栓是否是双头螺栓或防松螺栓。

    检查承载螺栓、卡箍、螺帽是否松动。

    校验及记录

    校验支吊架类型、型号与原设计是否一致。

    校验刚性支吊架各部分与原设计是否一致，确定是否存在活动间隙。

    校验吊点偏装与原设计是否一致。

    校验支吊架冷态/热态位置和标牌位置。

    校验防冲击刚性支吊架预留间隙是否符合规程要求。

    校验限位装置是否起作用。

    校验变力弹簧支吊架的荷载标尺指示或恒力弹簧支吊架的转体位置是否正常。

    记录运行条件下妨碍管道及支吊架位移的任何障碍。

    记录冷、热态条件下的位移指针位置。

    记录冷、热态条件下变力弹簧的载荷。

4管道应力计算

    对管道的原始数据和计算书进行复核，根据管道的设计参数、管系布置和《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》SDGJ6-90，采用与原设计计算相同的方法对管道进行校核计算。计算结果中包含以下信息：支吊架型号；吊点热态荷重；吊点冷态荷重；支吊架三向热位移；设备连接端点推力；管系最大应力位置及应力是否超标评定；可计算出管道中任意点应力及热位移。根据计算结果确定是否存在管道设计或支吊架选型错误。

    另外，根据原设计施工图核实或测绘实际立体管线布置，依据材料性能变化预测管道未来运行中的蠕胀。在此基础上根据管道及支吊架状态检查结果对管系进行力学模型简化，使用适合在役机组管道的专用分析软件包，分析计算管线结构已发生改变、部分支吊架已损坏或失效、材料性能已下降等实际运行条件下，对管道的应力状态进行分析计算，对管道的运行安全性进行评估，为管道及支吊架调整和改造提供基础数据。

5支吊架调整

5.1制订支吊架调整方案

    根据管道及支吊架受损原因，区分不同性质，选择解决问题的方法，经反复优化验算后给出合理的解决方案。提供需要更换的支吊架或其部件订货清单，并给出吊点整改施工图。

5.2支吊架现场调整

    根据调整方案，逐一消除支吊架存在的卡死、载荷偏离设计值、脱载等承载不合格现象，对管部抱箍损坏及连接件脱落进行修复，使支吊架承载及热位移合理。坚持统筹兼顾的原则，在调整一个支吊架的同时，必须检查和调整相近的支吊架，对管道进行反复校核计算，包括各吊点的热位移、载荷、最大应力值等详细数据，直至整个管系应力平衡合理及其支吊架承载正常。

    对暂不能或不宜进行改造的结构进行评估计算，给出运行是否安全的评估及相应监督重点。

5.3调整后后续工作

    整改工作结束，管道重新运行后，对支吊架再进行一次全面热态检验，对支吊架进行必需的微调，直到全部符合要求。编制完整的技术报告，包含机组支吊架调整前后的冷/热态的状态参数、支吊架调整措施及调整前后的管道应力水平，并按照高温高压管道寿命管理的原则，给出管道今后的跟踪检验计划及建议。

6结束语

    目前火电厂四大管道支吊架调整工作已越来越受到各大电厂的重视，通过这项工作有效地减少恶性事故的发生，确保了电厂安全生产，并相应减少非计划停运次数，从而延长机组的使用寿命。

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