某燃气轮机电厂余热锅炉再热器1出口集箱异常位移原因分析及对策研究

虞 辉，章 恂，濮鸿威

(华能南京燃机发电有限公司，南京 210046)

1 概述

某电厂1号395 MW燃气机组，余热锅炉型号为Q2384【05-286(42.7)-10(0.4)·66.5(296.5)，为高中低三压、无补燃、卧式、中间再热、自然循环余热锅炉。锅炉主要设计参数如表1所示。

表1 余热锅炉主要设计参数

支吊装置是管道系统的重要组成部分，支吊装置起到控制管道位移量和承受管道荷载的重要作用。管道系统的应力分布与其大小受支吊架安装位置、状态、规格类型的直接影响，其中支吊架质量的优劣、承载合理性等都影响到管道的安全运行和使用的年限。

如果管道支吊架在其设计、安装过程中存在问题，在经过一段时间的运行之后，管线的形态、位置以及支吊架弹簧、吊杆等部件的性能均会发生一定的变化。若产生支吊架部件的破坏、过度承载、位移受限或欠载等问题，均会使管道局部区域的应力变化、对端点设备推力产生变化。这些情况将会严重地影响设备运行经济性和安全性。特别是当机组容量的增大，管道的直径、壁厚随之增大，发生问题的可能性和严重性也随之增加，对管道安装、运行、维护、监督提出了更高的要求。

该电厂#1号燃气轮机在2006年投产以来未对各大主要管道的支吊架受力状况及运行情况进行系统性的检验、分析、调整，较多支吊架存在缺陷，尤其是再热器1出口集箱垂直方向热位移异常，集箱一端向下热位移不足，另一端反向向上翘起弯曲，存在影响管道使用寿命和安全生产运行的重大隐患。根据DL/T616—2006[1]规定：主蒸汽管道、高低温再热蒸汽管道、高压给水管道这些重要管道在投运30 000小时至40 000小时之后每次的大修，都应对管道的支吊架进行全面的检验、校核和调整，从而及时解决管道支吊架在设计、安装和运行过程中产生的问题，及时消除因为支吊架受力不合理等原因产生的机组安全运行隐患。电厂利用大修机会对1号机组再热器1出口集箱支吊架进行检验、改造、调整，从而来改善管道与支吊架的运行状况，达到设备安全、经济运行的目的。

2 支吊架状态检验

支吊架状态的检查、校验和调整主要涵盖四个方面的内容；首先是审核查阅资料，根据设计资料，对支吊架逐一进行核对，检查各类支吊架的型号、热位移值的变化和工作参数等数据是否和原始设计符合；其次，检查支吊架，查看弹簧支吊架是否存在过载或欠载的情况，恒力弹簧支吊架内部结构件有无卡死现象，记录冷态与热态的时候支吊架指针位置和热位移量的变化情况，依据这些内容判断、确认支吊架的运行状况；再次，计算管系的应力，校核支吊架的配备对管系应力所产生的影响，从而提供给支吊架调整的理论支持；最后，全面分析设计资料和支吊架检查检验、应力计算结果，提出针对性地改进方案并进行整改。检查结果统计表见表2。

再热器1出口集箱管道支吊架的主要问题如下：

1) 再热器1出口集箱垂直方向热位移异常，集箱一端向下热位移不足，另一端反向向上翘曲。

2) 恒力支吊架的位移指示器在极限位置受阻、卡死。

3) 弹簧支吊架承载存在欠载、过载现象。

表2 再热器1出口集箱支吊架检查、校验结果统计表 组

2.1 管道原始数据及设计计算复核

再热器1出口集箱主要技术数据参数见表3。

表3 再热器1出口集箱计算数据参数

为了校核再热器1出口集箱的最初设计，依据这些管道的基本布置与设计参数，对管系进行了新的静态核算，从而得出了支吊架的吊点位移、荷重分配状态。

2.2 安装情况复核

根据再热器1出口集箱原始设计技术资料，对每一只支吊架的型号、冷态荷重、热态荷重及安装位置进行核对。最后的校核结果表明，最初施工安装与设计相符合。

2.3 支吊架状态检验

再热器1出口集箱一共布置了5组支吊架，其中2组恒力吊架、1组弹簧吊架、2组限位支架。

检验结果表明：再热器1出口集箱一共有3组支吊架存在不同程度的问题，占所有支吊架数的60%。问题如下：

1) #1单弹簧吊架过压缩，吊架过载。

2) #3单恒力吊架，热态时恒力吊架位移指针指示于50%的位置，冷态时恒力吊架位移指针卡死于上极限位置。吊点处管道向下热位移明显不足。

3) #5单恒力吊架，冷态及热态时恒力吊架位移指针都卡死于上极限的位置，热态时吊杆松弛，吊架失载，吊点附近的膨胀指示器显示热态时集箱反向向上热位移。

3 计算与分析

3.1 管道应力验算方法

管道的静力计算是在确定温度、自重等外载力作用下，分析管道的应力分布、形态变化和支撑结构的约束反力等，然后以此为基准确定整个管系的薄弱点和关键部位，计算并评估管系的使用安全性、可靠性。

采用CAESAR II 2011软件对四大汽水管道及再热器1出口集箱进行应力校核计算，该软件符合ASME B 31.1等相关规范和标准的要求，在管道静力计算中得到了非常广泛应用。

为了便于分析和计算，依据力学中力的独立性原理，将管道应力分成两类，分别是由管道自身重量、内部压力和其他持续外部载荷产生的轴向应力之和(此为一次应力)与由热胀冷缩及其他位移受到约束限制而产生的热膨胀应力范围(此为二次应力)。

管道因为在工作、运行状态下，由于自身重量、内部压力和其他持续外部载荷产生的一次应力，不得超过钢材在设计温度下的基本许用应力。

(1)

式中:p—设计压力，MPa；Do—管道外径，mm；Di—管道内径，mm；MA—自身重量和其他持续外载荷作用在管道横截面上所合成的力矩，N·mm；W—管道截面抗弯矩，mm3；[σ]t—钢材在设计温度下的许用应力，MPa；i—应力增强系数；бL—由于内部压力、自身重量和其他持续外载荷所产生的轴向应力之和，MPa。

管道由热胀冷缩和其它位移受约束力而产生的热应力范围必须满足以下计算式：

σE=iMC/W≤f[1.25 [σ]20+0.2 5[σ]t+([σ]t-σL)]

(2)

其中：[σ]20—管道钢材在20 ℃时的许用应力，MPa；MC—按照全补偿值与钢材在20 ℃时弹性模量计算的，热胀所引起的合成力矩范围，N·mm；σE—热胀应力范围，MPa；σL—由于内部压力、自身重量和其他持续外载荷所产生的轴向应力之和，MPa；f—应力范围的减小系数。

预期电厂在运行年限之内，管道在全温度周期性中的交变次数N和系数f有关。

当N≤2 500时，f=1；当N>2 500时，f=4.78N-0.2。

3.2 管系应力计算对象及计算参数

本文计算对象为再热器1出口集箱。计算过程中对管道的冷紧力、三通以及阀门等刚性管件均作了相应处理或简化。在管系应力的计算中，需要有以下四类的基本参数：

1) 管材性能，包括弹性模量、材料许用应力及线性膨胀系数等；

2) 运行工况，包括运行中温度、压力及其波动范围值等；

3) 各种管道的几何尺寸，弯头、三通等管件的形状及尺寸与类型等；

4) 管道的保温状况。

管道计算所需的主要计算参数列于表4，各参数为：t—计算温度，℃；P—计算压力，MPa；α—热膨胀系数，10-6/℃；E20—钢材在20℃时弹性模量，GPa；Et—钢材在计算温度下弹性模量，GPa；[σ]20—钢材在20 ℃时基本许用应力，MPa；[σ]t—钢材在计算温度下的许用应力，MPa；R—弯管弯曲半径，mm。

表4 管道主要管材计算参数

3.3 计算结果分析

再热器1出口集箱应力计算时支吊架的计算编号和施工图编号均保持一致。再热器1出口集箱的最大应力计算结果见表5，其中同时给出了一次应力和二次应力的许用值，最大应力点的位置见图1。

图1 再热器1出口集箱支吊架与管系布置图

由表5可以知，再热器1的出口集箱支吊架经过调整后，管系中的各支吊架均处于正常的状态，且各次应力也均满足了管道的安全运行要求。其中第2类管材的(Φ168.3×7.11 mm)最大一次应力最高，为许用值的47.88%(最大应力在S3点处)，第1类管材的(Φ609.6×17.48 mm)最大二次应力最高，为许用值的22.98%(最大应力在S2点处)。

由表6可知，校核计算结果表明，#1单弹簧吊架、#3单恒力吊架及#5单恒力吊架工作载荷均比原设计值小。由表7可知，支吊架在整改前，#3单恒力吊架处管道向下的热位移量不足，#5单恒力吊架向上反向热位移大；支吊架整改后，#3单恒力吊架及#5单恒力吊架均向下热位移，管道热位移状况得到了有效改善。分析认为，导致管道热位移异常的原因之一是原设计的支吊架载荷量过大，另一方面是恒力支吊架恒定度较大，当管道向下热位移时，#3单恒力吊架载荷增加过多，致使#5单恒力吊架处管道反向向上翘起、弯曲。

图2 再热器1出口集箱应力计算校核模型图

4 对策研究

依据支吊架的检查、校核结果与管系的计算结果报告，整体分析和评估后提出支吊架调整、改造的方案。根据管道和支吊架所出现的问题，区分性质。依次采取下列主要的调整、改造办法：

1) 对设计中不合理的支吊架进行重新计算以及更换处理；

2) 对承载状态不正确(过载、欠载、失载)的弹簧和刚性吊架进行调整处理。

以上措施的实施，将使支吊架处于正常的设计工作状态，管道应力的合理分布将确保管线的热态、冷态荷载的分布和热膨胀满足设计计算的要求，最终实现管系的长期、安全、稳定的经济运行目的。

表5 再热器1出口集箱主要管种最大应力计算校核结果

表6 再热器1出口集箱恒力支吊架工作载荷量对比表

表7 再热器1出口集箱恒力支吊架整改前后的热位移量对比表 mm

注：实际热位移均分别从安装于#3、#5吊架管部的膨胀指示器上读数所得。

1号机组再热器1出口集箱调整细节见调整方案表8。

1) 坐标系约定如下：从始建端指向扩建端方向为正方向X，从汽轮机指向锅炉方向为正方向Z，垂直向上为正方向Y。

2) 表8中吊点参数为原设计值。

3) 支吊架状态栏中恒力弹簧吊架的位移指针刻度位置规定为：恒力吊架弹簧由极致松弛位置到极致拉紧位置相对应的刻度为0%到100%。恒力弹簧支吊架的上极限对应弹簧极致松弛位，下极限对应弹簧极致拉紧位。

表8 再热器1出口集箱支吊架调整方案

5 热态复查

改造完成后机组重新启动正常运行，对再热器1出口集箱支吊架进行了全面热态复查、检验。结果表明，经过改造以后支吊架的运行状态得到了明显改善，支吊架的承载均正常，管道热位移量正常，能够满足机组安全、稳定运行要求，达到了项目预期目的。

6 结论

1) 支吊架在整改前，再热器1出口集箱支吊架工作状态异常，严重影响设备的长期安全、稳定运行，突出的问题是恒力吊架位移指针卡死在极限位置、弹簧支吊架过载。

2) 支吊架在整改前，再热器1出口集箱一端向下热位移量不足，另一端反向向上翘起弯曲；支吊架整改后，管道的垂直热位移状态得到了明显的改善，能满足管道正常运行的要求；应力校核计算结果表明，支吊架的原设计载荷偏大是再热器1出口集箱热位移发生异常的主要原因。