发电厂汽水管道支吊架失效及管道振动治理

2018-03-17兰作红周恒军

浙江电力 2018年2期

兰作红,周恒军

（1.神华福能（福建雁石）发电有限责任公司，福建龙岩 364000；2.苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

0 引言

发电厂汽水管道的安全可靠性取决于材质、受力状态以及运行环境，其中支吊架装置对管道的受力状态影响较大，是近年来普遍关注的问题之一。支吊架具有安全承受管道荷载、合理约束管道位移、减小管道与连接设备的推力和扭矩、增加管系稳定以及防止管道振动等功能。从多年来管道支吊架现场检查情况来看，无论是在建机组或在役机组，普遍存在管道支吊架失效的问题。

以下总结了发电厂汽水管道支吊架失效形式和原因，同时针对主蒸汽管道存在低频高幅振动问题，采用CAESAR软件进行模态分析计算，提出治理方案。

1 支吊架主要失效形式

支吊架类型分为液压阻尼器、导向装置、限位装置、固定点、刚性吊架、变力弹簧吊架和恒力弹簧吊架。通过机组停机前后支吊架的热态检查和冷态检查，支吊架失效形式归纳为下述几点：

（1）管道及支吊架位移受阻。主要为管道或支吊架与附近管道或设备干涉严重，发生管道膨胀受阻或者吊杆发生弯曲，通常为设计间距不够、安装偏差较大、实际位移偏离计算位移、布置空间狭窄等因素所致。

（2）恒力吊架状态异常。表现为位移指针处于极限位置，造成管道膨胀受阻，局部应力升高，同时影响临近吊架受力状态。检修期间发现锅炉屏式再热器管道发生弯曲，检查发现炉顶恒力吊架处于极限位置，导致锅炉运行时管道膨胀受阻，发生弯曲变形。

（3）弹簧吊架承载异常。表现为弹簧压缩不足，导致该处吊点载荷比设计值偏小；弹簧压缩过量，导致该处吊点载荷比设计值偏大。检查发现炉顶过热器连接管弹簧热态处于行程极限，管道热态无法向上膨胀，导致吊杆弯曲。

（4）吊杆热态偏斜严重。此类问题大多为安装不良，未根据热位移量进行偏装。

（5）阻尼器油系统与行程异常。表现为漏油、冷热态行程不足，使阻尼器在冷态或者热态时处于极限位置而限制管道热膨胀；当阻尼器发生漏油时会导致阻尼器自锁功能失效，一旦安全阀排汽，阻尼器无法提供支撑力，巨大的排气反力严重时会导致管道冲击变形。

我们看到，黄剑近二十年来，在城市环境雕塑和公共艺术方面，在雕塑艺术的材质、素材、特定空间及其文化的关系上，进行了诸多的尝试和探索。从奥运、科技、景观题材、地方文化塑造等主题性艺术的创作，到其他特定场所、事件的艺术融入方面，收获了诸多经验与成果。这与她的艺术热情、追求、意志是分不开的。黄剑的雕塑形态是她的心性表达，也是时代和社会现实需求的反映。对于真善美和创造性内涵有着执着追求的当代女艺术家，黄剑创作的诸多雕塑作品，在城市雕塑和公共艺术等领域已经呈现出自身的面貌和独到的艺术业绩。

（6）弹簧吊架锁定装置未拆除。整定式可变弹簧支吊架及恒力弹簧支吊架在出厂前均会整定至冷态位置，弹簧处于承载状态，由锁定销锁定。此时的支吊架为刚性支吊架。支吊架安装达到安装荷载后，应拔除锁定销，使管道在吊点处可以自由膨胀。

支吊架失效后（如恒力弹簧吊架处于极限位置、变力弹簧吊架载荷偏大或者偏小），都会使该吊点的管道位置与载荷偏离设计值，引起管道载荷重新分配，导致某些吊点载荷大幅增加，管道局部应力升高。失效的支吊架会对管道产生不正常的约束，使管道热位移受到不合理限制，大大增加管道二次应力，直接影响管道寿命。

2 支吊架调整措施

根据支吊架冷热态检查结果和管系应力计算结果，调整措施如下：

（1）针对管道及支吊架位移受阻缺陷。通过拆除锁定销和增大预留间隙的方式，防止吊架与周边设备干涉，确保管道冷热态能自由膨胀。

（2）针对恒力吊架状态异常的缺陷，分类进行调整。对于长期运行的管道，发生应力松弛等原因造成热位移偏移的恒力吊架，采取调整吊杆长度来确保正常承载；对于管道与锅炉接口膨胀节附近的恒力吊架，通过检查膨胀节是否能正常吸收热位移来确认恒力吊架吊点处热位移偏差原因；对于安全阀附近的恒力吊架，通过消除阻尼器顶死造成的实际热位移偏差来解决恒力吊架异常缺陷。

（3）针对炉顶弹簧吊架锅炉运行期间发生失载，造成吊杆顶死弯曲的缺陷，通调整弹簧，使其正常承载同时确保足够裕量吸收热位移。

（4）对安装错误的支吊架，如吊杆未偏装、花篮螺母在梁中间位置等都要进行重新安装。

（5）针对阻尼器由于长期运行造成漏油失效，通过更换新阻尼器同时安装时调整阻尼器行程，确保其热态正常运行。

3 主蒸汽管道模态分析

图1 主蒸汽管道有限元模型

根据主蒸汽管道的设计图纸和参数（见表1），利用有限元CAESAR软件建立主蒸汽管道模型（见图1），进行模态分析，得到前5阶固有频率（见表 2）。

表1 主蒸汽管道主要设计参数

表2 主蒸汽管道固有频率计算结果

模态分析结果表明，主蒸汽管道第1阶固有频率0.91 Hz，其振型以弯头处Y方向（汽机房-锅炉房方向）为主（图2表示弯头处一阶固有振型）；第2阶固有频率为1.32 Hz，振型以弯头处X方向（固定端-扩建端方向）为主（图3表示弯头处二阶固有振型）。模态分析的第1阶及第2阶固有频率对应的振型与在现场观察到的管道主振型特征相吻合。蒸汽存在压力脉动，紊流蒸汽在弯头处冲击管壁产生激振力的频率与管道固有频率接近，产生共振，从而导致管道振幅明显增加。

图2 主蒸汽管道第1阶振型

图3 主蒸汽管道第2阶振型

4 管道振动治理方案

4.1 振动方程分析

振动微分方程见式（1）：

第1项为管道系统惯性力；第2项为阻尼力；第3项为弹性力；第4项为外界激振力。

其解为：

由方程可知，管道系统可以通过改变系统质量、刚度，使其固有频率适当偏离激振力频率来避开共振，也可以通过增大系统的阻尼比，减小系统振动幅度。在役机组管道不宜通过改变管道尺寸参数，故改变管道质量不可行，只能通过改变系统刚度和阻尼来实行治理。

4.2 治理措施

4.2.1 采用增设限位支架改变管道刚度

管系的固有频率与刚度有直接关系，刚度越大，其固有频率越高。在管系上增设限位支架可以增大管系刚度，提高管系固有频率从而偏离激扰力频率避开共振。通过在1和4处增设X与Y向的限位，在2和3处增设X方向限位，如图4所示。

经计算管系固有频率得到大幅增加，但增设的限位支架改变了管道的膨胀走向。原设计在弯头处Y反方向存在190 mm的热位移，增设限位后弯头处热位移仅为30 mm。锅炉过热器出口的膨胀和水平管道自身产生的膨胀，无法得到合理释放，管道二次应力超标。为保证应力合格，需要重新对管系进行布置，而且需要对管系支吊架进行大范围选型更换，成本较大。

4.2.2 采用增设阻尼器改变管道阻尼比

管系在弯头附近热位移较大，采用增设限位支架会导致管系膨胀不畅，二次应力超标。阻尼器在不受突加载荷时为柔性支撑，能随管系自由膨胀，当管系受外部载荷则自锁成刚性拉杆，适用于低频减振。根据模态计算结果，管系弯头A和B处的振幅最大。结合锅炉钢结构布置情况，在管系位置5和7处增设Y方向阻尼器，在位置6和8处增设X向阻尼器，如图5所示。同时调整调整弯头附近弹簧支吊架。治理后，主蒸汽管道振幅大幅降低，减振效果明显。可见在管道系统振幅较大位置增设阻尼器后，增大了阻尼器比，减小了振幅放大系数，从而使管道振幅大幅降低。