电站锅炉四大管道支吊架设计原则与检验方法

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【摘要】本文主要关注了电站锅炉上四大管道：主蒸汽、高温再热蒸汽、低温再热蒸汽和给水管道支吊架的相关问题。对支吊架设计的基本原则、支吊架类型、管道应力分析原理进行了总结。同时也阐述了支吊架检验的主要流程和内容，列举了支吊架检验过程中的常见问题及解决方法。

【关键词】四大管道；支吊架；设计；检验

The design principles and inspection methods of four main pipes’ supports and hangers for power station boilers

Tang Qi

（Zhejiang Special Equipment Inspection and Research Institute， Zhejiang Hangzhou 310020）

Abstract：This paperfocuses on the issues about four main pipes’ （main stream， hotreheat steam， coldreheat steam and feedwater）supports and hangers for power station boiler.The design principles， types of pipe supports and hangers and the theory of pipe stress analysis are summarized. Meanwhile， the main flow and contents of inspection methods are expressed. The common problems and solutionsduring the inspectionare also presented.

Key words： four main pipes； supports and hangers； design； inspection

1.概述

电站锅炉中，主蒸汽、高温再热蒸汽、低温再热蒸汽和给水管道并称为四大管道。这些管道长期在高温高压状态下运行，其安全性能主要取决于运行状态、管道材质以及受力状态，运行状态和管道材质都是由工作要求来决定的，而受力状态则主要取决于管道布置及沿程支吊装置的设置。支吊架是管道系统的重要组成部分，其主要作用是承受管道荷载、限制管道位移和控制管道振动。随着大容量、高参数机组的不断发展，四大管道的管径、壁厚及保温层厚度都随之增加，这就对这些管道上的支吊架提出了更高的要求。如果在一组支吊架中出现部分支吊架过载或失效，将造成管道各支吊点工作载荷发生转移，使得整组支吊架不能按设计要求运行，从而引起管道局部应力增大造成裂纹或破损，从而严重威胁机组安全。因此，对支吊架进行合理设计与调整，使管道受力均衡，应力水平满足工作要求，消除存在的缺陷和安全隐患，延长管道的使用寿命在近年来越来越受到重视[1，2]。

2.管道支吊架设计与选用

2.1 基本原则

管道支吊架的设计主要遵循以下几个原则[3，4]：

（1）按照支吊架设计中对于跨距的要求，控制支吊架间距，以保证其挠度不超过限制。同时支吊架位置的确定还必须考虑现场的实际条件，确保支吊架可生根于钢架结构或地面上；

（2）支吊架的设置还应满足管系的柔性要求，利用管系的自支撑与补偿能力，合理布置及分配支吊架。对于某些有特殊要求的位置，则需利用支吊架有效控制管道的纵向及横向位移；

（3）具体到某一位置的支吊架类型及结构，则应根据该支承点管道材质、保温层厚度、载荷大小与方向及管道位移情况来进行选择。

2.2 支吊架类型

管道支吊架类型主要包括承重支吊架、限位支吊架和振动控制支吊架[5]。

承重支吊架主要用于承受管道的重量，包括刚性支吊架、变力弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架。刚性支吊架用于管道无垂直位移或垂直位移很小的地方，变力弹簧支吊架用于管道垂直位移较小的地方，而恒力弹簧支吊架则用于管道垂直位移较大的地方。

限位支吊架主要用于限制管道的自由位移，包括限位装置和导向支架。限位装置主要用于限制管道某一方向的位移，导向支架则用于引导管道在某一方向的位移，而同时控制其它方向的位移。

振动控制支吊架则主要用于控制管道的振动和冲击，主要包括减振器和阻尼器。

2.3 管道应力分析

管道应力分析的任务是在完成管道走向布置和支吊架位置选择后，计算在外部载荷（自重、温度等）作用下，管道的变形、应力分布及对端点设备的推力是否符合使用条件，从而评估管道使用的安全性。

在管道应力分析中，将管道应力分为两种：一次应力和二次应力。一次应力是指由管道内压、自重和其他持续外载所产生的应力；二次应力是指由热胀、冷缩和其它位移约束而产生的应力。通过管道应力分析，应当保证管道的一次应力和二次应力均在许用范围内[6，7]。

（1）管道的一次应力，不得大于钢材在计算温度下的基本许用应力：

σL=pDi2/（Do2-Di2）+0.75iMA/W≤1.0[σ]t

式中，σL为管道一次应力，Mpa；p为设计压力，Mpa；Do为管道外径，mm；Di为管道内径，mm；MA为管道自重和其它持续外载作用在管道横截面上的合成力矩，N・mm；W为管道截面抗弯矩，mm3；[σ]t为钢材在设计温度下的许用应力，Mpa；i为应力增强系数。

（2）管道的二次应力，应满足以下计算式：

σE=iMC/W≤f[1.2[σ]20+0.2[σ]t+（[σ]t-σL）]

式中，σE为管道二次应力，Mpa；MC为按全补偿值和钢材在20℃时的弹性模量计算的，热胀引起的合成力矩，N・mm；[σ]20为钢材在20℃时的许用应力，Mpa；f为修正系数；修正系数f与电厂在预期运行年限内管道全温度周期变次数N有关。当N≤2500时，f=1；当N>2500时，f=4.78N-0.2。

管道应力计算的对象为即为电站锅炉四大管道，由于计算量较大且计算复杂，管道应力分析一般采用软件（如CAESAR II等）计算来进行。应力分析计算时对主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、低温再热蒸汽管道、高/低压旁路蒸汽管道和高压给水管道进行1：1建模。其中主蒸汽管道、高压旁路管道和低温再热管道连接在一起计算，高温再热管道和低压旁路管道连接在一起计算。通过计算获得管道各支吊点的载荷与位移、端点位移和应力分布，从而验证管道设计及使用的安全性。

3.管道支吊架检验

3.1 检验流程及主要内容

当电站管道支吊架设计安装完成，管道投用之后，为确保管道长期安全的运行，就应该定期对管道支吊架进行检验。管道支吊架检验流程主要包括资料审查，支吊架热态检查，支吊架冷态检查，管系应力计算，提出调整方案进行工程实施及验收等步骤，主要检查内容如下[8，9]：

（1）资料审查：收集设计资料，包括管线布置图，支吊架明细表和材料汇总表等，绘制管道单线图。逐一对支吊架进行核查，检验实际安装的各支吊架位置、型号是否与设计相符。

（2）支吊架热态检查：在机组正常运行状态下利用望远镜、相机及刻度尺等工具对支吊架进行检验。检查弹簧支吊架内部机构是否卡死，是否存在过载或失载，记录热位移情况；检查刚性支吊架是否失载；检查支吊架管部、根部的连接是否牢固，吊杆偏斜角度是否正常；检查限位装置及阻尼器状态是否正常。

（3）支吊架冷态检查：在机组停炉状态下对支吊架进行检查。检查工具及检验内容与热态检查相同。

（4）管道应力计算：根据管道设计资料结合现场支吊架实际情况对管系进行应力校核计算，为支吊架调整提供必要的理论支持；

（5）综合分析设计资料及支吊架冷热态检验、应力分析情况，提出整改方案并进行工程实施及验收。

3.2 检验中的常见问题

支吊架状态异常会导致支吊架功能失效，从而影响管系的峰值应力大小及分布，造成管系局部应力增加且影响邻近支吊架的载荷分布或对端点设备造成较大的推力，影响管道的安全运行。支吊架状态检查中的常见问题[10，11]有：

（1）管道及支吊架位移受阻。管道、支吊架与附近管道或设备卡碰严重，影响管道的正常热膨胀。

（2）支吊架吊杆偏斜严重，吊杆松动不承力，吊杆断裂；支吊架管部或根部出现裂纹、损坏等。

（3）支吊架类型选择不当或使用错误，应使用变力或恒力弹簧支吊架的位置，使用了刚性吊架，造成管道位移受阻，造成管道或支吊架损坏。

（4）变力弹簧支吊架状态异常。弹簧压缩不足，支吊架欠载、甚至脱载；或弹簧过度压缩，支吊架过载。

（5）变力弹簧支吊架安装时的定位销或卡块未拔除，实际上变为了刚性吊架使用，影响管道正常热位移。

（6）恒力弹簧支吊架状态异常。位移指针不在工作范围，指针完全卡在上极限或下极限等，造成载荷转移，影响邻近其它支吊架的受力情况。

（7）限位装置、导向支架、滑动支架异常。限位装置刚性支撑支点脱离，导向支架导向错误、位移受阻，滑动支架滑动受阻、失载等。

（8）阻尼器失效，油系统与工作位移异常，承受管道工作载荷。

3.3 主要调整方法

针对在支吊架状态检查中的发现的问题，结合管道应力计算的理论支持，就可以对存在问题的支吊架采取相应的调整维护措施，使其恢复到有效的工作状态[10，12]。主要的调整方法包括：

（1）对于应力分析中发现使用有误的支吊架，应当进行更换和重新选型，满足管系的应力要求。

（2）对热位移受阻的支吊架进行重新设计和安装，保证管道与支吊架、管道与设备不发生卡碰。

（3）对于吊杆偏斜过大，断裂的支吊架，进行重新偏装，生根。对管部或根部出现裂纹的支吊架进行修复或更换。

（4）对于支吊架类型安装错误的，应进行更换，恢复为设计状态。

（5）对于过载或失载的变力弹簧支吊架应调整花篮螺丝，使其恢复至正常工作位置。

（6）安装时未拔除定位销或卡块的变力弹簧支吊架应拔除定位销或卡块，恢复其正常功能。

（7）对于位移指针不在工作范围，卡在上极限或下极限的恒力弹簧支吊架，应当调整花篮螺丝，使其恢复至工作位置。

（8）对于状态异常的限位装置、导向支架、滑动支架和阻尼器，应进行更换和修复。

4.结语

电站锅炉四大管道支吊架的设计与检验正越来越受到重视，是确保电站锅炉安全运行的重要环节。本文主要讨论了电站锅炉上四大管道：主蒸汽、高温再热蒸汽、低温再热蒸汽和给水管道支吊架的相关问题。主要分为两个部分，第一部分是支吊架的设计与选用：总结了支吊架设计的基本原则，列举了支吊架的类型与选用方法，介绍了管道应力分析的原理及作用。第二部分是支吊架的检验：给出了支吊架检验的主要流程和内容，列举了支吊架检验过程中遇到的常见问题，并给出一些了解决方法。

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作者简介

汤琪（1987- ），男，浙江杭州人，博士，主要从事锅炉检验及运行优化方面的研究。