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支吊架失效與電廠蒸汽管道安全分析

文檔作者：郭延軍陳躍光文檔來源： 1．電力工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所 2．舟山發(fā)電廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月16日
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2007年4月
第8卷第4期
電力 設(shè)備
Electrical Equipmo~
AD 2007
VOI．8 N0．4
支吊架失效與電廠蒸汽管道安全分析
郭延軍 ，陳躍光
(1．電力工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江省杭州市310012；2．舟山發(fā)電廠，浙江省舟山市316012)
摘要：文章介紹了管道支吊架的類型與失效形式，分析了支吊架失效對(duì)蒸汽管道及其連接設(shè)備安全運(yùn)行生產(chǎn)的不利
影響，如增加管道應(yīng)力、降低管道壽命、改變管道對(duì)設(shè)備的推力和力矩等，并提出了預(yù)防支吊架失效的措施和建議。
關(guān)鍵詞：火電廠；蒸汽管道；支吊架；安全
中圖分類號(hào)：TK284．1
0 引言
支吊架是火電廠蒸汽管道系統(tǒng)的重要組成部
分，具有安全承受管道荷載、合理約束管道位移、限
制管道接口對(duì)所連設(shè)備的推力和力矩、增加管道系
統(tǒng)穩(wěn)定性、防止管道振動(dòng)等功能。電廠蒸汽管道與
其他管道相比，有其自身的特點(diǎn)，如高溫高壓、管道
位移量大、安全性和可靠性要求高等?；痣姀S中無
論是新裝機(jī)組，還是已運(yùn)行多年的老機(jī)組，蒸汽管道
系統(tǒng)中都不可避免地會(huì)出現(xiàn)支吊架失效的現(xiàn)象。失
效的支吊架會(huì)導(dǎo)致管道偏離原有的設(shè)計(jì)狀態(tài)，對(duì)管
道系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行帶來重大隱患，進(jìn)而
影響到整個(gè)電廠的安全可靠運(yùn)行。
1 電廠蒸汽管道的特點(diǎn)
電廠蒸汽管道，尤其是主蒸汽管道和高、低溫再
熱蒸汽管道，是電廠鍋爐與汽輪機(jī)之間進(jìn)行高溫高
壓蒸汽介質(zhì)輸送的主管道，具有如下一些特點(diǎn)：
(1)溫度、壓力均很高(由蒸汽參數(shù)決定)，尤其
是在火電機(jī)組向超臨界(SC)和超超臨界(USC)方向
發(fā)展的新形勢下，蒸汽參數(shù)會(huì)越來越高。
(2)機(jī)組工況變化以及管道冷熱態(tài)變化引起的
管道位移量很大，從而使蒸汽管道系統(tǒng)對(duì)支吊架的
要求很高。
(3)主蒸汽和再熱蒸汽管線兩端位差較大，管
線較長，焊縫及彎管、彎頭較多，管道系統(tǒng)易產(chǎn)生薄
弱環(huán)節(jié)。
(4)主蒸汽和再熱蒸汽管道采用空間立體布
置，除兩端與鍋爐、汽機(jī)設(shè)備連接外，中間管段完全
利用支吊架進(jìn)行支吊，形成整個(gè)管道系統(tǒng)對(duì)支吊架
依賴程度非常高。
(5)包括主蒸汽和再熱蒸汽管道在內(nèi)的參數(shù)較
高的蒸汽管道一般均進(jìn)行靜力計(jì)算和應(yīng)力分析，通
過計(jì)算分析確定的管道上各個(gè)吊點(diǎn)的載荷、位移、支
吊架的類型與規(guī)格，可以確保在設(shè)計(jì)狀態(tài)下管道應(yīng)
力處于合理的范圍。
(6)蒸汽管道一旦泄漏破壞，會(huì)造成停機(jī)或人
員傷亡等重大事故，危害性極大，故對(duì)蒸汽管道的安
全可靠性要求非常高。
在已投運(yùn)的電廠中，蒸汽管道的材料與規(guī)格、管
道布置型式、吊點(diǎn)的布置位置以及支吊架的類型與
規(guī)格均已確定，且在運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生自然變化。在
不考慮管道系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)(如管件、焊縫等)及
其他意外因素(如人為因素造成的載荷變化等)的條
件下，惟有支吊架的實(shí)際工作狀態(tài)是變量，因此，在
管道的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，支吊架的工作狀態(tài)正常與否成
為蒸汽管道能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵。
2 支吊架類型與失效形式
2．1 支吊架類型
支吊架由管部、根部、連接件和功能件組成。按
照支吊架功能件在管道系統(tǒng)中的作用與主要功能，
可將其分為以下3類 J：
(1)承受管道荷載類：包括恒力支吊架、變力彈
簧支吊架、剛性吊架、滑動(dòng)支架和滾動(dòng)支架。
(2)限制管道位移類：包括導(dǎo)向支架、限位裝置
和固定支架。
(3)控制管道振動(dòng)類：包括減振器和阻尼器。
2．2 支吊架失效形式
火電廠中管道支吊架的失效形式多種多樣，管
部、根部、連接件和功能件均可能失效。管部和根部
失效大多是因?yàn)楣艿垒d荷發(fā)生轉(zhuǎn)移或再分配，使某
些吊點(diǎn)的實(shí)際載荷大大超過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷，導(dǎo)致管
部和根部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而產(chǎn)生破壞，其表現(xiàn)形式
主要為管部及根部承載結(jié)構(gòu)與輔助鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯
變形，主要受力焊縫產(chǎn)生宏觀裂紋等；支吊架連接件
的失效形式主要表現(xiàn)為螺紋滑絲、吊桿過度彎曲或
斷裂；支吊架功能件的失效形式隨支吊架類型不同
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技術(shù)監(jiān)督 郭延軍等：支吊架失效與電廠蒸汽管道安全分析 63
而不同，詳見表1。
表1 電廠蒸汽管道支吊架失效形式
支吊架類型 失效形式
恒力支吊架
變力彈簧支吊架
剛性吊架
滑動(dòng)支架
導(dǎo)向支架
減振器
阻尼器
轉(zhuǎn)體位移指示越限；活動(dòng)部件卡死或
損壞
彈簧壓并、失載或過度偏斜
吊桿失載、彎曲或偏斜角度過大
位移卡澀、受阻或工作面脫空
位移受阻、工作面脫空或管部滑動(dòng)底
板越限
防振力與管道動(dòng)載荷不匹配；工作行
程與管道位移不匹配
連接拉桿不動(dòng)作；動(dòng)態(tài)特性與管道頻
率、振幅不匹配
3 支吊架失效對(duì)電廠蒸汽管道安全運(yùn)行的
影響
如上所述，蒸汽管道在整個(gè)電廠中的地位舉足
輕重，而且對(duì)支吊架高度依賴。支吊架失效不僅會(huì)
降低其本身在管道系統(tǒng)中的有效作用，而且會(huì)對(duì)管
道產(chǎn)生附加約束或限制，對(duì)管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)
生不利影響。概括起來，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：
3．1 增加管道應(yīng)力，降低管道壽命
支吊架失效后(如恒力彈簧支吊架活動(dòng)部件卡
死、變力彈簧支吊架彈簧壓并、剛性吊架失載等)，都
會(huì)使該吊點(diǎn)的管道實(shí)際位置與實(shí)際載荷偏離設(shè)計(jì)狀
態(tài)，引起管道載荷重新分配，導(dǎo)致某些吊點(diǎn)的載荷大
幅增加，局部管段一次應(yīng)力升高。同時(shí)，載荷的重新
分配還會(huì)進(jìn)一步加劇支吊架失效現(xiàn)象的發(fā)生。失效
的支吊架有可能對(duì)管道產(chǎn)生不正常約束，使管道的
熱脹冷縮受到不合理限制，增加管道二次應(yīng)力。管
道應(yīng)力的升高，會(huì)直接影響管道的壽命。當(dāng)蒸汽溫
度不變時(shí)，根據(jù)Monkman—Grant方程可近似地估算
出應(yīng)力對(duì)蒸汽管道壽命的影響。計(jì)算表明，主蒸汽
管道工作應(yīng)力提高10％ ，其壽命縮短一半 j。可見，
因管道應(yīng)力引起的管道壽命的顯著下降，為機(jī)組的
長期安全運(yùn)行埋下了隱患。支吊架失效對(duì)管道壽命
的影響如圖1所示。
載荷增加廣1力升高H 囂是
圖1 支吊架失效對(duì)管道壽命的影響
3．2 影響管道及設(shè)備的安全運(yùn)行
在管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，管道對(duì)設(shè)備的推力
和力矩的計(jì)算輸人條件包括熱脹、端點(diǎn)附加位移、冷
緊、自重、其他持續(xù)外載及支吊架反作用力等；計(jì)算
工況包括管道運(yùn)行初期冷態(tài)、工作狀態(tài)和應(yīng)變自均
衡后的冷態(tài)。通過對(duì)管道的應(yīng)力計(jì)算與分析以及支
吊架的科學(xué)合理的布置與選型，使管道在工作狀態(tài)
和冷態(tài)下計(jì)算出的端點(diǎn)推力和力矩的最大值滿足設(shè)
備安全承受要求 j。支吊架失效后，改變了吊點(diǎn)處
的設(shè)計(jì)計(jì)算載荷與位移特性，從而改變管道對(duì)設(shè)備
的推力和力矩的計(jì)算輸入條件，使管道系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)
行狀態(tài)偏離管道最佳設(shè)計(jì)計(jì)算狀態(tài)，增加管道端點(diǎn)
對(duì)設(shè)備的推力和力矩，引起管道與設(shè)備連接的接口
焊縫產(chǎn)生裂紋、設(shè)備出現(xiàn)變形或非正常位移等。同
時(shí)，設(shè)備的反作用力也會(huì)增加管道載荷，降低管道壽
命。就主蒸汽和再熱蒸汽管道而言，將嚴(yán)重影響汽
輪機(jī)的安全運(yùn)行。支吊架失效對(duì)管道及其連接設(shè)備
的影響如圖2所示。
] 堂壹?jí)緇
圖2 支吊架失效對(duì)管道及設(shè)備的影響流程圖
3．3 增加管道振動(dòng)的危險(xiǎn)性
變力彈簧支吊架和剛性吊架失載后，在增加相
鄰吊點(diǎn)載荷的同時(shí)，也完全失去對(duì)該吊點(diǎn)處位移的
合理約束和限制作用，造成管道在流體的沖擊下出
現(xiàn)失穩(wěn)晃動(dòng)；當(dāng)減振器的防振力與管道動(dòng)載荷不匹
配，阻尼器的動(dòng)態(tài)特性與管道頻率、振幅不匹配時(shí)，
會(huì)大幅度降低其對(duì)管道振動(dòng)的限制作用，增加管道
振動(dòng)的危險(xiǎn)性。由支吊架失效造成的蒸汽管道振動(dòng)
在電廠中已非常普遍，如舟山電廠1號(hào)機(jī)組再熱蒸
汽熱段管道出現(xiàn)的低頻振動(dòng)，經(jīng)過對(duì)支吊架的測量
調(diào)整，使失效的支吊架恢復(fù)正常工作狀態(tài)，管道振動(dòng)
也大幅度降低 。管道振動(dòng)往往會(huì)引起一系列嚴(yán)重
后果，如：引起管道過度疲勞損傷，尤其會(huì)使與其連
接的小管道斷裂；管道支吊架根部松脫、垮落，迫使
機(jī)組停機(jī)或造成重大事故；管件損壞，焊縫出現(xiàn)裂
紋；測量儀表出現(xiàn)錯(cuò)誤信息；將振動(dòng)傳遞到廠房結(jié)構(gòu)
或其他靜止的設(shè)備上，危及熱力系統(tǒng)的安全運(yùn)行等，
其危害如圖3所示。
-'1管道疲勞破壞i- 響影
_-{結(jié)構(gòu)焊縫受損卜_ 廠電
- -t測量信號(hào)失真 全安
危害靜止設(shè)備卜__ 行運(yùn)
圖3 支吊架失效與管道振動(dòng)危害流程圖
4 措施和建議
綜上所述，支吊架失效會(huì)對(duì)蒸汽管道、設(shè)備及申
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電力設(shè)備 第8卷第4期
廠的安全運(yùn)行帶來許多隱患，這就需要從制造、安裝
和運(yùn)行等環(huán)節(jié)采取必要的預(yù)防措施來避免支吊架失
效現(xiàn)象的發(fā)生。
對(duì)于在建電廠，應(yīng)重點(diǎn)控制支吊架的制造和安
裝環(huán)節(jié)，即：
(1)加強(qiáng)制造質(zhì)量控制，確保支吊架零部件的
材料、整機(jī)出廠檢驗(yàn)與性能試驗(yàn)符合設(shè)計(jì)選型要求，
尤其應(yīng)注意恒力支吊架的載荷離差、變力彈簧支吊
架的載荷整定及超載性能試驗(yàn)。
(2)加強(qiáng)安裝質(zhì)量控制，確保支吊架根部焊接
質(zhì)量、吊點(diǎn)位置及支吊架安裝狀態(tài)符合設(shè)計(jì)圖紙要
求，尤其應(yīng)關(guān)注蒸汽管道完成水壓試驗(yàn)、支吊架解除
鎖定后的狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求。
對(duì)于已投運(yùn)電廠，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行火力發(fā)電廠金屬
技術(shù)監(jiān)督規(guī)程的有關(guān)規(guī)定，對(duì)已運(yùn)行3．萬～4萬h的
300 Mw 及以上機(jī)組和已運(yùn)行8萬～l0萬h的100
Mw 及以上機(jī)組的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道(含熱
段、冷段)，應(yīng)對(duì)管系及支吊架進(jìn)行全面檢查和
調(diào)整 ，確保支吊架在冷熱態(tài)條件下均處于正常、有
效狀態(tài)，保證電廠安全可靠運(yùn)行。
5 參考文獻(xiàn)
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北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997．
[2] 楊杰，李俊昆，王敏明，等．火力發(fā)電廠變形蒸汽管道的分析
調(diào)整和監(jiān)督研究[J]．中國電力，2002，35(1)：l8～2O．
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[4] DL438-2000火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程[s]．北京：中
國電力出版社，2000．
收稿日期：2006—03—02
作者簡介：
郭延軍(1965一)，男，高級(jí)工程師，主要從事電廠管道及支
吊架系統(tǒng)的檢測與試驗(yàn)研究。
(責(zé)任編輯趙楊)
Safety Analysis of’Steam Pipeline and Invalid Hanging Rack in Power Plant
GUO Yan-jun‘，CHEN Yao—guang
(1．Power Industrial Product Quality Standard Institute，Hangzhou 3 10012，China；2．Zhoushan Power Plant，Zhoushan 3 160 12，China)
Abstract：The paper introducedthetype ofhangingrackforpipelineandits invalidform，andanalyzedtheunfavorableinfluence of
invalid hanging rack on safety operation production of steam pipeline and theirjoined equipment，such as increasing pipdine stress，
reducing pipeline life，changing moment and the thrust of pipeline equipment．The measures and suggestions for preventing hanging
rack invalid were also presented ．
Keywords：fire power plant；steam pipdine；han~ng rack；safety
·綜合信息·
中國已具備巨型水輪機(jī)的國產(chǎn)化制造能力
日前，哈爾濱電站設(shè)備集團(tuán)電機(jī)廠有限責(zé)任公
司自主研發(fā)的巨型混流式水輪機(jī)葉片— — 景洪電站
水輪機(jī)葉片通過專家鑒定，并具備批量生產(chǎn)能力。
它開創(chuàng)了國內(nèi)批量制造巨型水輪機(jī)葉片的先河，
標(biāo)志著中國已具備巨型水輪機(jī)的國產(chǎn)化制造
能力。
近年來，中國大力開發(fā)利用水利資源，廣泛應(yīng)用
大型水輪機(jī)建設(shè)大型水電機(jī)組。隨著水電機(jī)組容量
的不斷增加，其結(jié)構(gòu)尺寸也不斷增大，制造大型和巨
型水輪機(jī)葉片成為建設(shè)大型水電機(jī)組的一個(gè)關(guān)鍵
步驟。
作為中國最大的電站設(shè)備制造商和電站工程承
包商，哈電集團(tuán)多年來立足自主創(chuàng)新，一直承擔(dān)著為
國家制造大型發(fā)電機(jī)組的任務(wù)。集團(tuán)所屬的哈爾濱
電機(jī)廠有限責(zé)任公司的大電機(jī)研究所此前曾在三峽
右岸招標(biāo)中，采用新的設(shè)計(jì)方法，在提高三峽發(fā)電機(jī)
組水輪機(jī)穩(wěn)定性方面取得了突破，完全消除了負(fù)荷壓
力脈動(dòng)帶機(jī)組運(yùn)行的影響。此次，他們又根據(jù)市場狀
況開始研發(fā)電站巨型水輪機(jī)葉片。經(jīng)過近半年的開
發(fā)、研制，通過采用立澆、背面實(shí)型等新型工藝及計(jì)算
機(jī)模擬技術(shù)等新技術(shù)，2007年初，哈電集團(tuán)電機(jī)廠有
限責(zé)任公司成功研制出轉(zhuǎn)輪直徑8．3 in、凈重9．46 t
的景洪電站水輪機(jī)組巨型葉片。
經(jīng)專家鑒定，哈電集團(tuán)電機(jī)廠有限責(zé)任公司的景
洪水輪機(jī)葉片的化學(xué)成分、力學(xué)性能、內(nèi)外質(zhì)量及尺
寸精度等主要技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到或超過國外同類產(chǎn)品
制造水平，而且研制的工藝方法有所創(chuàng)新，具備批量
穩(wěn)定生產(chǎn)的能力。

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