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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)量標準研究所 2．舟山發(fā)電廠		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月16日
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2007年4月
第8卷第4期
電力 設備
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)量標準研究所，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蒸汽管道及其連接設備安全運行生產(chǎn)的不利
影響，如增加管道應力、降低管道壽命、改變管道對設備的推力和力矩等，并提出了預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：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
制管道接口對所連設備的推力和力矩、增加管道系
統(tǒng)穩(wěn)定性、防止管道振動等功能。電廠蒸汽管道與
其他管道相比，有其自身的特點，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
論是新裝機組，還是已運行多年的老機組，蒸汽管道
系統(tǒng)中都不可避免地會出現(xiàn)支吊架失效的現(xiàn)象。失
效的支吊架會導致管道偏離原有的設計狀態(tài)，對管
道系統(tǒng)及相關(guān)設備的安全運行帶來重大隱患，進而
影響到整個電廠的安全可靠運行。
1 電廠蒸汽管道的特點
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之間進行高溫高
壓蒸汽介質(zhì)輸送的主管道，具有如下一些特點：
(1)溫度、壓力均很高(由蒸汽參數(shù)決定)，尤其
是在火電機組向超臨界(SC)和超超臨界(USC)方向
發(fā)展的新形勢下，蒸汽參數(shù)會越來越高。
(2)機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、汽機設備連接外，中間管段完全
利用支吊架進行支吊，形成整個管道系統(tǒng)對支吊架
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行靜力計算和應力分析，通
過計算分析確定的管道上各個吊點的載荷、位移、支
吊架的類型與規(guī)格，可以確保在設計狀態(tài)下管道應
力處于合理的范圍。
(6)蒸汽管道一旦泄漏破壞，會造成停機或人
員傷亡等重大事故，危害性極大，故對蒸汽管道的安
全可靠性要求非常高。
在已投運的電廠中，蒸汽管道的材料與規(guī)格、管
道布置型式、吊點的布置位置以及支吊架的類型與
規(guī)格均已確定，且在運行中不會發(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，惟有支吊架的實際工作狀態(tài)是變量，因此，在
管道的設計壽命內(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、滑動支架和滾動支架。
(2)限制管道位移類：包括導向支架、限位裝置
和固定支架。
(3)控制管道振動類：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
失效大多是因為管道載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移或再分配，使某
些吊點的實際載荷大大超過結(jié)構(gòu)設計載荷，導致管
部和根部的結(jié)構(gòu)強度不足而產(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
滑動支架
導向支架
減振器
阻尼器
轉(zhuǎn)體位移指示越限；活動部件卡死或
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底
板越限
防振力與管道動載荷不匹配；工作行
程與管道位移不匹配
連接拉桿不動作；動態(tài)特性與管道頻
率、振幅不匹配
3 支吊架失效對電廠蒸汽管道安全運行的
影響
如上所述，蒸汽管道在整個電廠中的地位舉足
輕重，而且對支吊架高度依賴。支吊架失效不僅會
降低其本身在管道系統(tǒng)中的有效作用，而且會對管
道產(chǎn)生附加約束或限制，對管道系統(tǒng)的安全運行產(chǎn)
生不利影響。概括起來，主要表現(xiàn)在以下3個方面：
3．1 增加管道應力，降低管道壽命
支吊架失效后(如恒力彈簧支吊架活動部件卡
死、變力彈簧支吊架彈簧壓并、剛性吊架失載等)，都
會使該吊點的管道實際位置與實際載荷偏離設計狀
態(tài)，引起管道載荷重新分配，導致某些吊點的載荷大
幅增加，局部管段一次應力升高。同時，載荷的重新
分配還會進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，增加管道二次應力。管
道應力的升高，會直接影響管道的壽命。當蒸汽溫
度不變時，根據(jù)Monkman—Grant方程可近似地估算
出應力對蒸汽管道壽命的影響。計算表明，主蒸汽
管道工作應力提高10％ ，其壽命縮短一半 j。可見，
因管道應力引起的管道壽命的顯著下降，為機組的
長期安全運行埋下了隱患。支吊架失效對管道壽命
的影響如圖1所示。
載荷增加廣1力升高H 囂是
圖1 支吊架失效對管道壽命的影響
3．2 影響管道及設備的安全運行
在管道系統(tǒng)的設計計算中，管道對設備的推力
和力矩的計算輸人條件包括熱脹、端點附加位移、冷
緊、自重、其他持續(xù)外載及支吊架反作用力等；計算
工況包括管道運行初期冷態(tài)、工作狀態(tài)和應變自均
衡后的冷態(tài)。通過對管道的應力計算與分析以及支
吊架的科學合理的布置與選型，使管道在工作狀態(tài)
和冷態(tài)下計算出的端點推力和力矩的最大值滿足設
備安全承受要求 j。支吊架失效后，改變了吊點處
的設計計算載荷與位移特性，從而改變管道對設備
的推力和力矩的計算輸入條件，使管道系統(tǒng)實際運
行狀態(tài)偏離管道最佳設計計算狀態(tài)，增加管道端點
對設備的推力和力矩，引起管道與設備連接的接口
焊縫產(chǎn)生裂紋、設備出現(xiàn)變形或非正常位移等。同
時，設備的反作用力也會增加管道載荷，降低管道壽
命。就主蒸汽和再熱蒸汽管道而言，將嚴重影響汽
輪機的安全運行。支吊架失效對管道及其連接設備
的影響如圖2所示。
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圖2 支吊架失效對管道及設備的影響流程圖
3．3 增加管道振動的危險性
變力彈簧支吊架和剛性吊架失載后，在增加相
鄰吊點載荷的同時，也完全失去對該吊點處位移的
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；當減振器的防振力與管道動載荷不匹
配，阻尼器的動態(tài)特性與管道頻率、振幅不匹配時，
會大幅度降低其對管道振動的限制作用，增加管道
振動的危險性。由支吊架失效造成的蒸汽管道振動
在電廠中已非常普遍，如舟山電廠1號機組再熱蒸
汽熱段管道出現(xiàn)的低頻振動，經(jīng)過對支吊架的測量
調(diào)整，使失效的支吊架恢復正常工作狀態(tài)，管道振動
也大幅度降低 。管道振動往往會引起一系列嚴重
后果，如：引起管道過度疲勞損傷，尤其會使與其連
接的小管道斷裂；管道支吊架根部松脫、垮落，迫使
機組停機或造成重大事故；管件損壞，焊縫出現(xiàn)裂
紋；測量儀表出現(xiàn)錯誤信息；將振動傳遞到廠房結(jié)構(gòu)
或其他靜止的設備上，危及熱力系統(tǒng)的安全運行等，
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測量信號失真 全安
危害靜止設備卜__ 行運
圖3 支吊架失效與管道振動危害流程圖
4 措施和建議
綜上所述，支吊架失效會對蒸汽管道、設備及申
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電力設備 第8卷第4期
廠的安全運行帶來許多隱患，這就需要從制造、安裝
和運行等環(huán)節(jié)采取必要的預防措施來避免支吊架失
效現(xiàn)象的發(fā)生。
對于在建電廠，應重點控制支吊架的制造和安
裝環(huán)節(jié)，即：
(1)加強制造質(zhì)量控制，確保支吊架零部件的
材料、整機出廠檢驗與性能試驗符合設計選型要求，
尤其應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。
(2)加強安裝質(zhì)量控制，確保支吊架根部焊接
質(zhì)量、吊點位置及支吊架安裝狀態(tài)符合設計圖紙要
求，尤其應關(guān)注蒸汽管道完成水壓試驗、支吊架解除
鎖定后的狀態(tài)是否符合設計要求。
對于已投運電廠，應嚴格執(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，對已運行3．萬～4萬h的
300 Mw 及以上機組和已運行8萬～l0萬h的100
Mw 及以上機組的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道(含熱
段、冷段)，應對管系及支吊架進行全面檢查和
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行。
5 參考文獻
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北京：標準出版社，1997．
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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，高級工程師，主要從事電廠管道及支
吊架系統(tǒng)的檢測與試驗研究。
(責任編輯趙楊)
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的國產(chǎn)化制造能力
日前，哈爾濱電站設備集團電機廠有限責任公
司自主研發(fā)的巨型混流式水輪機葉片— — 景洪電站
水輪機葉片通過專家鑒定，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葉片的先河，
標志著中國已具備巨型水輪機的國產(chǎn)化制造
能力。
近年來，中國大力開發(fā)利用水利資源，廣泛應用
大型水輪機建設大型水電機組。隨著水電機組容量
的不斷增加，其結(jié)構(gòu)尺寸也不斷增大，制造大型和巨
型水輪機葉片成為建設大型水電機組的一個關(guān)鍵
步驟。
作為中國最大的電站設備制造商和電站工程承
包商，哈電集團多年來立足自主創(chuàng)新，一直承擔著為
國家制造大型發(fā)電機組的任務。集團所屬的哈爾濱
電機廠有限責任公司的大電機研究所此前曾在三峽
右岸招標中，采用新的設計方法，在提高三峽發(fā)電機
組水輪機穩(wěn)定性方面取得了突破，完全消除了負荷壓
力脈動帶機組運行的影響。此次，他們又根據(jù)市場狀
況開始研發(fā)電站巨型水輪機葉片。經(jīng)過近半年的開
發(fā)、研制，通過采用立澆、背面實型等新型工藝及計算
機模擬技術(shù)等新技術(shù)，2007年初，哈電集團電機廠有
限責任公司成功研制出轉(zhuǎn)輪直徑8．3 in、凈重9．46 t
的景洪電站水輪機組巨型葉片。
經(jīng)專家鑒定，哈電集團電機廠有限責任公司的景
洪水輪機葉片的化學成分、力學性能、內(nèi)外質(zhì)量及尺
寸精度等主要技術(shù)指標已達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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