张加蓉
中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司 四川 成都 610021
【摘要】本文介绍了某大容量超临界火力发电机组在吹管后出现高温管道位移异常，恒力弹簧吊架指针无法回复到冷态位置的问题，通过分析问题、找出原因并提出了解决方案，同时对同类大容量机组的高温管道设计提出设计建议，供同类工程在设计高温管道时参考。
关键词：高温管道；复位；恒力弹簧吊架；设计建议
Solution for abnormal displacement
of high temperature pipe in big capacity unit
ZHANG Jia-rong
(Southwest Electric Power Design Institute co., Ltd. of CPECC, Chengdu 610021, China)
Abstract: To introduce the problem of restoration failing of main steam pipe and solution for it. To give some useful suggestion for similar design.
Key words: high temperature pipe; restoration; constant spring hanger; design suggestion
0 引言
伴随着我国电力技术的发展及不断提高能效的要求，火电厂装机往大容量高参数发展是必然趋势，与此同时针对高参数机组的高温管道设计也提出了更高要求，需要在设计时充分考虑各种情况，才能保证机组的长期安全稳定运行。
电厂主体部分安装完成后需要对主汽、再热系统进行吹管。吹管是锅炉及主汽、再热系统首次达到约400℃以上的高温，管道在高温下会有热胀，弹簧支吊架会有热位移。正常情况下，待吹管完成，管道冷却下来后应基本回复到冷态位置，弹簧位移指针也应回复到冷态位置。但某超临界机组在吹管后主蒸汽管道出现了弹簧支吊架指针偏离冷态位置较多，管道位移异常的情况，后经多方核实找到原因并顺利解决了这个问题。现将出现该情况相关因素仔细分析，以供今后在设计大容量机组高温管道时借鉴参考。
1 工程概况
该工程为660MW超临界机组一次再热机组，汽轮机入口参数为24.2MPa/566℃/566℃。主蒸汽管道设计压力：25.4MPa，设计温度：576℃，管道材料A335P91。主蒸汽管道采用的是2-1-2布置模式，即锅炉两侧联箱出来的支管在炉前汇合后穿过除氧煤仓间到汽机房接近汽机中心线时再分为两路支管分别进入汽轮机。此布置是大容量机组主蒸汽管道的典型布置模式。
2发现问题
该工程在吹管完成待管道冷却下来后检查发现主蒸汽管道在锅炉出口汇合三通附近的恒力弹簧吊架的位移指针较冷态位置都有一定程度的偏转，没有回复到冷态位置。为配合业主解决问题，我公司派技术人员到现场，与热工院技术专家以及施工单位人员一起熟悉相关情况并讨论分析原因，以尽快找到有效的解决方案。
3 现场情况
问题管段布置及支吊架设置见下图1：主蒸汽管道支吊架示意图
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图1：主蒸汽管道支吊架示意图
上图中1号为变力弹簧吊架，2、11号为X项阻尼，3~8、10、12~14号为恒力弹簧吊架，9号为Y项阻尼，15号为Z向限位支
架（刚性吊架）。
施工单位描述现场情况如下：1号炉主蒸汽管道安装时是锁上销子的，直到做完水
压试验并完成保温，吹管前才拔掉销子。在拔销子的过程中，发现3～8号，36、37号
恒力弹簧位移指针都有不同程度的偏转，其
中偏转最严重的是8号，偏转角大约在20～30度（总行程为60度），也即几乎到了总位移行程的50%。见下图2：未复位的恒力弹簧吊架图（注：图中白线位置为吹管前冷态指针位置）
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图2：未复位的恒力弹簧吊架图
虽然有此异常情况，但施工单位并没有对支吊架进行调整就直接进行了吹管。吹管时主蒸汽温度大约为400℃，3～8号，36、37号恒吊的行程几乎达到100%。待吹管结束后，介质温度降到100℃左右时照片显示行程还有80%左右。但一旦将10号吊架脱空，其他吊架的位移就会恢复到原整定的冷态位置附近。后来施工单位将10号恒吊脱空，然后再用一个葫芦在10号位置吊上，让其他弹簧位移恢复到正常位置。
当时电厂计划月底前完成168h试运行，未等问题解决,机组按原计划启动。技术人员到现场时锅炉已经点火，主蒸汽温度已到360℃左右。情况紧急，各方均提出目前采用葫芦支吊方式存在一定的安全风险，不能长时间使用，应加强监测并尽快提出解决方案。
4原因分析
关于这个问题的原因，根据施工单位描述的情况及现场观察情况来看，各方讨论一致认为是问题管段的恒力弹簧吊架施加给管道的总的荷载太大了，以至于在冷态时，恒吊荷载大于管段自身重量，于是产生向上的力使得管子被上提了。造成这个增加的力的原因是多方面合成的一个结果。从弹簧厂家的记录数据来看，弹簧出厂时的实测荷载与设计荷载之间大概有2%左右的正偏差，管子实际重量比理论重量大约轻2～5%不等，根据配管厂资料计算，用在问题段的管道普遍轻约3%。支吊架厂家的管部实际荷载比加在弹簧上的理论荷载轻约0.5~1%。另外，设计时为避免管道出现正偏差，计算时也考虑了一定裕量。综合下来，支吊架荷载比实际需要荷载大约7～8%。
5 解决方案
原因确定下来之后，就从减小问题管段的整体受力的角度来调整计算，对管道应力重新进行整体分析，问题管段按实际重量输入，并提出了两个解决方案：
方案一：根据四大管道支吊架技术协议要求“恒力弹簧组件应有供现场调整荷载的设施，其荷载调整量应不小于±10%”。按此条件，可以将问题管段的恒吊荷载下调7~8%。
方案二：为了尽可能减少改动，计算时将10号附近的弹簧按原工作荷载进行赋值，让10号弹簧承受自由分配荷载，然后根据计算结果重新订货更换10号弹簧。
对比以上两个方案，从经济的角度首选方案一，但方案一现场操作存在一定难度。方案二较为简单，但经济和进度方面受影响。最终由于方案一现场实施难度较大,而且2号炉正好有个恒力弹簧与重新计算后需要更换的10号恒力弹簧型号一致,位移也接近,因此将此恒力弹簧更换了原10号恒力弹簧，问题得以圆满解决。
一般而言，设计时采用理论数据，与实际到货数据存在一定偏差是正常的，据了解，也有部分工程出现冷态时恒力弹簧指针有所偏移的情况，但却少有工程出现该工程这样严重的情况。分析原因，除了实际重量和理论重量之间偏差太大外，跟问题管段的支吊架型式也有一定的关系。从图1可以看出，在问题管段，从1~15号支吊架之间，除了1号是变力弹簧，15号是刚性吊架外，其他的弹簧都是恒力吊架。恒力吊架的荷载从冷态到热态基本相同，无法进行荷载转移，所以，当整个管段的总重偏差稍大时，无法通过弹簧自身的荷载调节分配来平衡，所以就只有将力施加到管段上，让管段被上提，因此管道无法复位。
6结论和建议
在大容量火力发电厂中，高温管道的安全性直接关系到机组的安全性，是电厂中最关键的核心部分之一。随着机组容量越来越大，参数越来越高，像主蒸汽管道、再热热段管道这样的高温管道设计难度也相应增大。由于在高温条件下管材线胀系数较大，锅炉接口与汽机接口之间高差也大，使得在靠近锅炉侧的管段热位移都较大，出现恒力吊架的情况较为普遍。因此，对这类高温管道设计提出以下几点建议：
（1）在进行管道应力分析时，应根据管道布置、热胀等情况合理设置支吊架，让各段位移分配合理，避免大面积连续恒吊的设置方式，应让管段在一定范围内具备重新分配调节荷载的能力；
（2）在管道应力分析计算时，应根据管道及附件订货的实际情况作为设计输入依据，避免输入数据与实际偏差太大；
（3）在设计图纸中应提出针对重要管道需在配管完成后进行应力复核的要求，待配管完成后根据配管情况对管系进行应力复核；
（4）各个环节的余量取值应谨慎，一方面要考虑对管系一定范围的变化的适应，另一方面也不宜各个环节层层余量叠加，造成与实际偏差太大。
作者简介：张加蓉（1975年-），女，四川省双流县人，本科，高级工程师，主要从事火力发电厂热机专业设计