电厂汽水管道支吊架安全运行分析.docx

摘要 本文介绍了电厂汽水管道支吊架的类型，并对几类支吊架安全运行方面进行分析。火力发电厂汽水管道支吊架状态异常时，会改变管道的应力分布，影响管道的安全性。本文讨论了支吊架安全运行问题产生的原因及其对管道应力的影响，管道支吊架设计是管道设计的重要任务之一。受影响的管道因素有很多，本文主要讨论一些常用支吊架。诸多原因中最重要的是支吊架的状态。其性能的好坏直接影响到管道及设备的安全可靠性。 本文介绍了火电厂管道支吊架设计的合理步骤、管道支吊架分类及构成；并详细阐述了管道支吊架的设置选用及注意事项。关键词：电厂、汽水管道、支吊架、安全ABSTRACT This article describes the type of pipe hangers soda plant, and several types of hangers safe operation analysis. When the thermal power plant steam pipe hangers abnormal state will change the stress distribution pipeline, affecting the security of the pipeline. This article discusses the reasons for the safe operation of hanger problems of stress and its impact on the pipeline, pipe support design is one of the important tasks piping design. Affected pipeline many factors, this article discusses some of the common hanger. Many of the most important reasons is hanger state. Its performance has a direct impact on safety and reliability of pipelines and equipment. This article describes the thermal power plant reasonable steps designed pipe hangers, pipe hangers classification and structure; and elaborates a set selection of pipe supports and precautions.Keywords: plant, Water Pipe, hangers, security目录： ABSTRACT2一 电厂管道及支吊架安全运行的重要性5二 电厂管道支吊架的分类及特性52.1 支吊架类型及位置51）、支吊架类型52 )、管道支吊架的布位的要点62.2 弹簧支吊架81）、弹簧选择原则82）、弹簧支吊架的选型计算82.3 恒力吊架91 )、恒力吊架工作原理102）、使用及安装要点11三 管道支吊架在设计时的原则及要点11四 管道应力134.1 管道应力简述134.1.1 一次应力144.1.2 二次应力14五 支吊架设计及调整145.1管道支吊架设计及应注意的问题155.1.1 管架工艺设计155.1.2注意问题：155.2调整的一般方法161、管系应力分布不变法16 2.管系应力重新设计法16六 管道支吊架的检验176.1支吊架检验目的176.2 支吊架检查核对17七 管道支吊架失效的原因分析及对策197.1 管道支吊架发生事故的危害性197.2 管道支吊架安全运行存在的主要问题 7.3 管道事故隐患的预防和纠正措施207.4 建议22八 架体、载荷和运行的关系238.1 管架的作用238.2 管架受力的来源23九 结论24参考文献：24谢 辞25一 电厂管道及支吊架安全运行的重要性电厂蒸汽管道与其他管道相比，有其自身的特点，如高温高压、管道位移量大、安全性和可靠性要求高等。支吊架是火电厂蒸汽管道系统的重要组成部分，具有安全承受管道荷载、 合理约束管道位移、限制管道接口对所连设备的推力和力矩、增加管道系统稳定性、防止管道振动等功能。火电厂中无论是新装机组，还是已运行多年的老机组，蒸汽管道系统中都不可避免地会出现支吊架失效的现象。失效的支吊架会导致管道偏离原有的设计状态，对管道系统及相关设备的安全运行带来重大隐患，进而影响到整个电厂的安全可靠运行。因此，高度重视管道支吊架设计、运行、维护等问题是保证电厂安全运行的重要环节之一。但目前，无论是新建或是在运行的电厂，在运行、维护、检修、验收等环节中都普遍存在着不重视管道支吊架的情况，直到发生事故隐患，才被动地修理或更换，这对生产安全运行产生很大的影响，所以，认真对电厂汽水管道支吊架安全运行进行分析尤为重要。因此，正确认识，认真对待，严格设计、安装、验收各个环节，运行时坚持维护，监察管道支吊架的状态，是十分重要的。本论文试从上述诸方面进行论证、分析，以求安全运行。 二 电厂管道支吊架的分类及特性2.1 支吊架类型及位置1）、支吊架类型 支吊架由管部、 根部、 连接件和功能件组成。按照支吊架功能件在管道系统中的作用与主要功能，可将其分为以下几类：（1） 支吊架从限制管道位移可分类：固定架、滑动架和导向架。（2） 承受管道荷载类：包括恒力支吊架、变力弹簧支吊架、刚性吊架、滑动支架和滚动支架。（3） 控制管道振动类：包括减振器和阻尼器。（4）支吊架从力学性能又可分为刚性支架和弹性支架。 刚性支架从理论上说，其刚度为无穷大，在外力荷载的作用下没有变形，一般用于无垂直位移的地方。 弹性支架是利用弹簧所具有一定的弹性力，在外力荷载的作用下允许，管道有小的变形，而不会完全失去其分配荷载，从而控制荷载转移量。弹簧支架一般用于管段在垂直方向有热位移的场所，引起管道支点的位置变化，若该点为刚性支吊架，将会妨碍管段的位置变化，或使管段脱离支吊架，致使管道产生过大的力和应力。并可能对管道自身、设备或相邻管道等造成不良影响。如果采用弹簧管托、管吊则不会产生这种现象。2 )、管道支吊架的布位的要点 在管道走向和工艺基本计算完成后，进行管道支吊架位置的确定。 （1）管道支吊架合理布位的重要性：对管系的应力分析状态、最大应力值、管系的端点作用力和力矩有影响，因为这种管系端点的荷载将会传递到与该管端相联接的设备上。因此，支吊架设置得当，能改善管系中的应力分布和端点受力以及力矩状况，所以，管系的柔性不但受到管系形状的影响，也受到所选定支吊架位置和类型的影响。 （2）支吊架的设置非常灵活，可变化的范围较大，支吊架的位置、数量和形式选择往往因人而异。对同一个管系存在着多种支吊架设置方案，不同的设置形式将反映出不同的应力分布、应力值及端点受力。因此，在进行管道设计时，为使管系具有足够的柔性，除了应注意管系走向和形状外，支吊架的设置位置和型式也是相当重要的。 （3）支吊架位置的确定，安全地确定管道支吊架位置应注意以下要点。 a 满足管道最大允许跨度的要求。 b 在有集中荷载时，支架要布置在靠近荷载的地方，以减少偏心荷载和弯曲应力。 c 在敏感设备（泵、压缩机等）附件，应设置支架，以防止管道荷载作用于设备管口。 d 往复式压缩机的吸入或排出管道以及其他有强烈振动的管道，宜单独设置支架，支架的生根在地面上的管墩、管架上并与建筑物隔离，以避免将振动传递到建筑物上。 e 除振动的管道外，应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的生根点，并应考虑生根点所能承受的荷载，生根点的构造应能满足生根件的要求。 f 对于复杂的管道，尤其是需要作详细应力计算的管道，还应根据应力计算结果调整其支吊架的位置。 g 应设在不妨碍管道与设备的连接和检修的部位。 h 应设在弯管和大直径三通式分支管附近。 i 安全泄压装置出口管道应考虑设置支架 （4）支吊架的间距尤其是水平管道的承重支吊架间距不能超过管道的允许跨距，以控制其挠度不超限。当前，已有工具表格可以查到相应管道的支吊架间距值不需进行计算，秩序严格遵守限值即可。 （5）合理利用管道自身的柔性，尽量利用管道的自支承作用，少设置或不设置支架，要利用管系的自然补偿能力合理分配支吊架点和选择支吊架类型。这是很多管道易出现的隐患！应当在设计和安装时避免。 （6）管托和位移，有管托的管道纵向位移不得超过管托的长度，管托长度应留足余量，并排敷设的管道横向位移不得影响相邻管道。否则，管托会因膨胀（冷缩）产生位移而滑落。 （7）要准确计算和向相关专业提出受力条件，必须具备生根条件的支吊架一般可生根在地面、设备或建构筑物上，并且将生根件的定位尺寸、标高及其承受的荷载提供给相关专业。 2.2 弹簧支吊架 在电厂管道中使用较多，大多布置在锅炉间和汽轮机间的主蒸汽管道上。所以应当重视其选择选择。 弹簧支吊架位置确定后，根据支吊架受力计算书，主要是对弹簧支吊架结构中的弹簧进行选择。 1）、弹簧选择原则（1）弹簧压缩值在最大工作变形量与最小工作变形量之间。（2）弹簧的安装荷载或工作荷载不超过弹簧允许荷重。（3）串联安装，单个弹簧变形量不能满足支吊点热位量时采用，串联安装时每个弹簧的荷重相同、等于工作荷重。因此，串联安装时所选用的弹簧号相同的弹簧，其类别（即允许压缩值或自由高度）可不同，串联安装时两个弹簧的热位移值按弹簧的最大允许荷载下变形量比例分配。（4）并联安装，单个弹簧不能满足荷重要求或结构上需要采用双吊结构时，选用并联安装。此时各弹簧的工作荷重相同、热位移也相同，并联弹簧的型号也应完全相同。2）、弹簧支吊架的选型计算 管道在支承点处有垂直位移，且荷载变化率允许大于6%，应选用可变弹簧支吊架；当要求荷载变化率不大于6%时，应选用恒力弹簧支吊架。可变弹簧支吊架的荷载变化率不应大于25%。荷载变化率可按下式计算：荷载变化率 = 串联可变弹簧支吊架.应选用最大荷载相同的弹簧，每个弹簧的压缩量，应按其工作位移范围比例分配。 当管道荷载超过一个可变弹簧支吊架的最大允许荷载时，可选用两个或两个以上的可变弹簧并联安装。 并联可变弹簧支吊架，应选用同一型号的弹簧，每个弹簧承受的荷载，应按并联弹簧数平均分配。 恒力弹簧吊架，可并联安装. 弹簧支吊架荷载弹簧支吊架的荷载直接与弹簧力相平衡，即弹簧力F等于弹簧刚度与压缩值的乘积。 式中：F弹簧力（N）； 刚度（N/mm）； 弹簧压缩值（mm）； 或 式中：K 1/ 弹簧系数（mm/N）。2.3 恒力吊架 弹簧吊架在工作中由于实际热位移与设计不同、使得实际工作高度与设计工作高度不同时，其实际工作荷重与设计值不同。管道在起停过程中，支吊点的热位移不断变动、弹簧支吊架的实际工作荷载也变动。支吊点的热位移很大时，弹簧吊架要多个串联才能使用，而有时结构上不允许。恒力吊架适合在热位移值大，实际热位移不能准确掌握，对荷重变化要求严格时选用。在整个热位移过程中恒力吊架荷重始终不变。1 )、恒力吊架工作原理 W*AB*SinR=F*h （1）AB*SinR是荷载W对A轴的力臂，h是弹簧力F对A轴的力臂。h与的关系如下解出：在ADC中，按正弦定理：sinT/CD=sinD/ACsinD=h/ADh=（sinT*AC*AD）/CD （2）又弹簧力 （3）为刚度（N/mm）； 为弹簧压缩值（mm）；由以上3式联立可得： 在结构上可做到R=T，、只要V=S即可。通常二者均为60，如果恒力吊架装配时，使得，则工作中仍然保持，可得： W=*AC*AD/AB由上式可见工作荷重W与支吊架热位移无关，而且保持不变。2）、使用及安装要点 转动体工作时AB轴线与水平轴线夹角在30范围之内（分别由上下限位器限制），所以恒力吊架的允许热位值等于AB（mm）值。当支吊架热位移向上时，转动体（AB）采用下偏安装，若热位移向下时，采用上偏安装。转动体偏装方式及安装偏角应按设计图纸的要求，挂孔位置也应按设计要求选用，荷重要求通过调整AC值达到。 恒力吊架的技术参数有：型号、荷重范围、允许热位移、挂孔位置、弹簧号、尺寸参数（AC值、AD值）等。 三 管道支吊架在设计时的原则及要点 1）在管道上不允许有任何位移的地方应该装设固定支架，以承受管道重量、水平推力和力矩。固定支架应生根在牢固的厂房结构或独立的支柱上。 2）在管道上无垂直位移，或垂直位移很小的地方可装设活动支架或刚性吊架，以承受管道重量，增强管道的稳定性。活动支架的形式应根据管道对支架摩擦作用力的不同来选取。 对由于摩擦而产生的作用力无严格限制时，可采取滑动支架。 当要求减小管道轴向摩擦作用力时，可用滚柱支架。 当要求减小管道水平位移的摩擦作用力时，可采用滚珠支架。 滚柱和滚珠支架结构较为复杂，一般只用于介质温度较高和管径较大的管道上。 在架空管道上，当不便装设活动支架时，可采用刚性吊架。 3）在水平管道上只允许管道单向水平位移的地方，在铸铁阀件的两侧和矩形补偿器两侧4DN（DN是公称通径，公称通径或叫公称直径，就是各种管子与管路附件的通用口径）处，应装设导向支架。 4）轴向波形补偿器导向支架距离，应根据波纹管的要求设置。轴向波形管和套管式补偿器应设置双向限位导向支架，防止横向和竖向位移超过补偿器的允许值。 根据EJMA（美国膨胀节制造商协会）介绍，补偿器距第一导向支座为4DN左右。第二导向支座距第一导向支座为14DN左右。其他导向支座间的距离（mm）可按下式计算： 式中 在计算温度下钢材的弹性模量（MPa） 管道截面二次矩（） 设计压力 波形管有效截面度（） 波形管总刚度（N/mm） 设计补偿量（mm） 5 ）在管道具有垂直位移的地方，应装设弹簧吊架。在不便装设弹簧吊架时，可采用弹簧支架。在同时具有水平位移时，应采用滚珠弹簧支架。 6）垂直管道在通过楼板或屋顶时，应装设套管。套管不应限制管道位移和承受管道垂直载荷。 7）对于室外敷设的大直径架空煤气管道的独立活动支架，为减少摩擦推力，应设计成柔性的和半铰接的，或采用可靠的滚动支架，避免采用刚性支架或滑动支架。采用柔性支架时，摩擦力以柱的弹力代替，半铰接的支架可以不计算摩擦力。四 管道应力4.1 管道应力简述 从力学角度分析，决定管道系统应力的主要因素有：管道内压即管道运行压力；管道（包括管道、管件、阀门等）及保温层自重；支吊架配置与荷重；管道的空间布置；管道的冷、热态温度。 在工作状态下，管道要承受内压、自重及其他持续外载（包括支吊架反力等）和热胀冷缩或其他位移受约束时产生的一次应力及因管道变形受约束而产生的二次应力。 管道在工作状态下承受的应力分为一次应力和二次应力。一次应力是指管道在内压、自重和其他持续外载（包括支吊架反力等）作用下所产生的应力；二次应力是指管道在热胀冷缩或其他位移受约束时所产生的应力。4.1.1 一次应力 五 支吊架设计及调整5.1管道支吊架设计及应注意的问题5.1.1 管架工艺设计 在工艺装置的管道设计中，进行支吊架设置的设计时，应正确遵循设置方法和选用原则，应使支吊架的间距不超过管道刚度允许值并满足柔性要求；同时设计人员应了解支吊架对管道产生的一次应力和二次应力，以便在管道设计中正确设置支吊架的重要性。在进行管道设计时，首先要考虑满足工艺要求，还要考虑设备管道及其组成件的受力状况；以保证安全运转运转 管道应力分析是多学科的综合技术。是管道设计的基础，在管道应力分析过程中，正确设置支吊架是一项重要的工作，支吊架选型得当，布置合理，所设计的管系不仅美观，而且经济安全。管道设计人员在设计支吊架时，应先将管系通盘考虑一下，如果管系复杂可将它分成若干个较简单的管系；对于高温、高压的管道一定要进行应力分析，以免由于支吊架的选择不当造成不良后果。虽然管道支吊架在整个管道工程投资中的比例很少，但支吊架对整个管系的安全运行起着至关重要的作用；管道支吊架的设计与管系的应力密切相关，可以借助设置支吊架来限制某个方向的力和位移，从而使管系处于安全状态。由此可见，管道支吊架的设计在管道设计中起着非常重要的作用。5.2调整的一般方法1、管系应力分布不变法保持原管系应力设计不变,即各点所承受的设计荷载不变,对管系支吊架进行调整。该方法适用于无明显下沉、支吊架失效率低的管系。(1)对未并圈的变力弹簧支吊架，通过测量弹簧高度来推算其实际承受荷载。为使推算荷载误差小,应对旧弹簧刚度进行实测。(2)对已压并的变力弹簧支吊架、已拉至最下位和转体锈死的恒力支吊架,用带荷载传感器的装置测定其实际荷载。测定荷载时要保证被测吊点绝对标高不变。(3)将各吊点的实际承受荷载与设计荷载相比较，对不符合设计要求的吊点进行调整,使其符合设计值。由于管系各吊点之间的关联性,调整一个吊点的荷载必然导致邻近吊点荷载的变化,因此只有对支吊架进行反复调整,才能使各吊点承受荷载与设计值相近。2.管系应力重新设计法 对管系应力进行重新设计,如在管系适当位置设置刚性吊点。对新管系的应力进行计算,确定管系原吊点位置所要承受的荷载和热位移。对不能满足新设计(荷载和热位移)的支吊架重新选型更换，对能满足重新设计的支吊架进行调整,使其满足设计要求,该方法能控制管系的位移,改变管系下沉状况,适用于有明显下沉、支吊架失效率高的管系。六 管道支吊架的检验支吊架检验目的检验支吊架配置、荷重及热位移的正确性,评估支吊系统的安全运行水平,消除支吊架存在的直接或间接隐患,通过支吊架调整改善管道的一次应力与二次应力水平,使管系应力处于均衡状态,6.2 （4）管道支吊架校验及记录校验吊点偏装与设计是否一致；记录运行条件下妨碍管道及支吊架位移的任何障碍；校验支吊架冷态、热态位置和标牌位置；记录冷热条件下的位移指针的位置；校验制造厂的型号；记录冷热态条件下变力弹簧的载荷；对于刚性支吊架，需校验支吊架各部分与原设计是否一致。（5）总结总之，对管道支吊架的质量关，要从设计、产品、安装、维护把好等每个环节做起，严格按以上相关规范进行，才能使生产能安全运行。七 管道支吊架失效的原因分析及对策（1）脱开；（2）压死；（3）压偏；（4）弹簧断裂；（5）规格型号与设计不符；（6）弹簧压缩高度与设计值相差过大。纠正措施，支吊架弹簧应满足以下要求： 1）表面不应有裂纹、折迭、分层等缺陷，弹簧材料应满足60Si2MnA钢的技术要求； 2）弹簧两端应有不少于3/4圈的拼紧圈，两端应磨平，磨平部分不少于3/4圈。 3）弹簧规格（丝径d、外径D、自由高度H0、刚度系数、弹簧系数K、节距t、工作圈数、总圈数、允许压缩值或最大工作变形量、允许荷重等）应符合要求，支吊架弹簧规格可查阅有关手册。恒力吊架故障及失效要点（1）设计与现场情况不符使得恒力吊架脱空（转动体转至上30后被上限位器卡死）。（2）同1情况，恒力吊架卡死成为“刚吊”（转动体转至下30后被下限位器卡死）。（3）挂孔位置安装错误，不符合设计要求。（4）偏装角与设计要求不符（上偏装误装成下偏装、下偏装误装成上偏装、偏装角不符等）。（5）吊杆明显偏斜。纠正措施： 1）安装吊架时应注意现场情况，使得设计和安装现场一致。 2）挂孔位置安装应符合相关规范。 3）偏装角安装应符合设计。 4）吊杆安装符合设计。 5）整体安装符合设计，把好设计及安装质量关。 综上所述，支吊架失效会对蒸汽管道、设备及电厂的安全运行带来许多隐患，这就需要从制造、安装和运行等环节采取必要的预防措施来避免支吊架失效现象的发生。 对于在建电厂，应重点控制支吊架的制造和安装环节，即： （1）加强制造质量控制，确保支吊架零部件的材料、整机出厂检验与性能试验符合设计选型要求，尤其应注意恒力支吊架的载荷离差、变力弹簧支吊架的载荷整定及超载性能试验。 （2）加强安装质量控制，确保支吊架根部焊接质量、吊点位置及支吊架安装状态符合设计图纸要求，尤其应关注蒸汽管道完成水压试验、支吊架解除锁定后的状态是否符合设计要求。对于已投运电厂，应严格执行火力发电厂金属技术监督规程的有关规定，对已运行 3万 -4万 h的300MW，及以上机组和已运行8万 -10万 h的 100MW 及以上机组的主蒸汽管道、再热蒸汽管道（含热段、冷段），应对管系及支吊架进行全面检查和调整，确保支吊架在冷热态条件下均处于正常、有效状态，保证电厂安全可靠运行。八 架体、载荷和运行的关系8.1 管架的作用管道支吊架主要有以下几个方面的作用：1）承受管道的重量荷载，包括自重、充水重、保温重等；2）阻止管道发生非预期方向的位移；3）控制摆动、振动或冲击。8.2 管架受力的来源管架受力主要来源于各种荷载，如垂直荷载、水平荷载及附加荷载。除此之外，管架应满足应力要求（详见第四章），更需要满足工艺设计要求，保证汽水管道支吊架安全运行。九 结论2、动力管道手册 动力管道编写组3、支吊架失效与电厂蒸汽管道安全分析郭延军、陈跃光4、对火力发电厂管道支吊架存在问题的探讨彭景强5、压力管道设计审批人员培训教材中国有色金属建设协会设计分会、压力管道研究会6、火力发电厂汽水管道支吊架讲座刘尚慈7、恒力弹簧支吊架的应用和测试TN707 A 火力发电厂汽水管道设计技术规定 DLGJ 238110、GB/T17116-1997管道支吊架11、五洲工程设计研究院.室内管道支吊架. 北京.中国建筑标准设计研究院.2006.212、西北电力设计院.火力发电厂汽水管道支吊架设计手册，1983年13、 Arroyo-Figueroa G, Sucar LE, Solis E, Villavicencio A. SADEPa fuzzy diagnostic system shellan application to fossil power plant operation. Expert Systems with Applications 1998;14(1/2):4352. 14、Abdennour A. An intelligent supervisory system for drum type boilers during severe disturbances. Electrical Power and Energy Systems 2000;22(5):3817. 谢 辞非常感谢我的导师程国良的细心本论文的选题、创作直至论文的最终完稿，都是在导师的精心指导和严格要求下完成的。程老师丰富的实战经验、勤奋严谨的治学作风、渊博的专业知识和孜孜不倦的教学精神对我产生了很大的影响，并使我终生受益。在此谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢! 在毕业论文的完成过程中，在此期间老师丰富的知识和扎实的专业技能深深鼓舞着我，我决心在这段时间里专心分析研究，努力做好大学的最后一课，打造一篇优秀的毕业论文。在论文遇到难题时我不断的找导师和其他同学解答，他们热情的帮助，使我顺利的解决了各种问题，从中也好好学习一些专业本领。在此期间，和我一起奋战的同学给予我许多关心和帮助，真诚地感谢他们。在此深表谢意！