俄罗斯E420―18.8―560KT型锅炉主蒸汽管道弹簧吊架失效分析

[摘要]通过对A发电厂1号锅炉37号弹簧吊架和2号锅炉65号弹簧吊架失效的分析，查找到引起失效的原因，并提出合理措施，以防发生重大安全生产事故。

[关键词] 弹簧吊架 管夹开裂失效

中图分类号：TM623.4 文献标识码： A 文章编号：

支吊架是火力发电厂管系的重要组成部分，其状态的改变可导致管道的局部应力过大、加速管道损伤、降低服役寿命，对管道和机组安全性具有十分重要的影响。

火力发电机组在运行服役过程中，需要经历多次的启停、调峰，状态时刻发生变化，管道的支吊架也会随着环境的变化而发生变化。此外，在设计、制造、安装等过程中也可能存在问题，有可能出现管道热位移受阻，弹簧吊架的弹簧压死、断裂、扭曲变形或脱空，刚性吊架吊杆过载（甚至断裂）或松脱以及支座脱空，支吊架结构损坏等多种形式失效。正确分析和处理吊架失效，对保证机组的安全有着重要意义。

一、问题的引出

A发电厂1、2号锅炉是俄罗斯西伯利亚动力机械股份公司1998年制造的E420-18.8-560KT型锅炉。2004年4月25日，1号锅炉主蒸汽管道从集汽联箱引出后的第二垂直段上37号弹簧吊架吊杆歪斜脱载，打开保温后发现管夹开裂。随即检查2号锅炉，发现同样位置的65号弹簧吊架吊杆歪斜脱载，打开保温后发现管夹开裂。

二、问题的分析

注：1、2号锅炉主蒸汽管道的规格均为Ф377×50，材质为15Cr1Mo1V。

2.断口分析

选取37、65号管夹的4个断口进行观察，发现开裂位置均在管夹下部中间区域。断口大致分三个区域，即较为光滑的开裂区、裂纹扩展区和在较大应力作用下较为粗糙的终断区。由于终断区面积较小，而裂纹扩展区域所占的比例较大，没有明显的塑性变形区，具备典型的低名义应力疲劳断裂断口特征，是较低交变载荷作用下的疲劳断裂。

3.材料检验

对65号管夹进行金相检验和化学元素分析，检验结果与设计图纸相一致，是与主蒸汽管道相同的15Cr1Mo1V，说明材质正常。

4.设计对证

4.1管部种类选择

根据《管道支吊架第一部分》（技术规范GB/T17116.1-1997）中对管道系统的分级，1、2号锅炉的主蒸汽管道设计温度均为565℃，属于“A-4”级管道，应选择5型管部，实际选用为5型管部，符合标准。

4.2螺母

根据《A发电厂改建工程施工图设计》要求，当公称直径Dw ≥168mm 时，选用4套螺母，经过现场认证，螺母数量符合设计要求。

4.3套管

根据《A发电厂改建工程施工图设计》要求，管夹连接螺栓之间应有套管，现场检查未发现有相应的套管。

4.4卡块

根据《A发电厂改建工程施工图设计》规定，在350℃

4.5 吊架参数

查《A发电厂改建工程施工图设计》，1号锅炉37号弹簧吊架和2号锅炉65号弹簧吊架的相关设计参数见表1：

4.6管夹参数

查37号弹簧吊架图纸F097S-70501A-41和65号弹簧吊架图纸F097S-70501A-67，相关数据见表2：

表3中数据可以看出，在同一卷设计图纸中37、65号弹簧吊架的代号相同但是重量不同，设计资料中内容不一致。

表4中列出了《A发电厂改建工程施工图设计》“热机部分 第五卷 第5册 汽水管道支吊架设计手册”中，大于300℃的D9 和 D9A型管夹的参数。

可见发生断裂的管夹为D9，而不是D9A，而图纸上实际标注的代号是D9Aa，在设计手册中并没有列出该系列的参数，也说明设计中存在不完善的地方。

4.7资料小结

通过查阅，对设计资料中问题小结如下：

4.7.1资料前后不一致。同一张图纸中管夹代号为D9Aa，管夹参数为D9系列的参数，而实际选用的是D9系列管夹。由于D9和D9Aa系列管夹的参数相差比较大，D9377系列管夹的最大工作应力低于设计资料中计算的最大结构载荷（达到29.2%），因此实际采用的D9管夹无法满足工作的要求。

4.72连接螺栓之间没有套管。

4.7.3管夹设计选择依据不足，设计资料中的设计手册部分提供的管夹适用范围≤555℃，而相关图纸中出现的设计温度为565℃。

5.其它电厂俄罗斯制造锅炉相关设计情况

为了进一步确认A发电厂1、2号锅炉管道吊架管夹开裂的原因，对其它热电厂的俄罗斯生产的锅炉主蒸汽管道支吊架的设计资料进行了查阅，其中一号锅炉为俄罗斯制造的E-360-13.8-560КБТ型锅炉，蒸发量为360T/H，过热蒸汽出口压力为13.8Mpa，材质为12Cr1MoV。其主蒸汽管道为第二垂直段有2个吊架，其中39号为弹簧吊架。查阅图号为F08015-10501-20的主蒸汽管道14、39号弹簧吊架图，该吊架相关资料见表7。

上表中的数据与表4 和表5 对比可以发现，B热电厂锅炉参数和主蒸汽管道参数均低于A发电厂1、2号锅炉参数，但是实际选用的管夹参数高于后者，例如重量上高出39.47%。通过对比发现A发电公司1、2号管道吊架选用管夹参数级别可能偏低。

6. 断裂过程分析

根据A发电厂改建工程汽水管道支吊架设计手册、1、2号锅炉的设计手册、立管管夹上部主蒸汽管道的位置应有四个卡块，这样对于管夹来说，在管道向下膨胀时，每侧的两个卡块相当于支点，管夹中间受力最大。因此两套管夹开裂位置均在中间部位。

设计时管夹受到的作用力主要包括管道重量、附件重量、保温重量、介质重量、预压弹簧作用力和管道热胀或冷缩产生的作用力和力矩。在参数一定的情况下，管道作用力和力矩是变化的，产生管夹开裂和引起疲劳扩展的作用力和管道热胀或冷缩产生的作用力和力矩有关。由于实际选用的管夹参数较低，在起停产生的较大的应力作用下引起开裂，并随着机组的运行和更多的起停而不断扩展，最后完全断裂，导致37、65号吊架脱载。

7.结论

A发电厂1号锅炉37号弹簧吊架管夹和2号锅炉65号管夹设计资料内容前后不一致，实际选用了较低等级的管夹，选用管夹的最大工作应力低于计算最大工作应力29.2%， 最终导致管夹开裂。

该电厂根据分析和建议采取了更换措施，选用了D9Aa系列管夹，在机组检修期间进行了更换，处理后运行至今正常，表明此次分析和采取的措施是合理的。

8.防范类似事件措施

由于设计中管夹选取较低参数系列，建议请设计单位进行设计复核，如果没有问题，建议参照原来的设计，选用级别较高D9Aa系列管夹，并根据原来的设计恢复管夹之间的套管。同时建议根据设计情况对整个管系的吊架进行全面的复查，对不符合设计的进行更换。

此次1、2号锅炉主蒸汽管道第2垂直段管夹开裂后机组并未立即停运，相应地造成管系应力分布变化较大，现场观察可以发现37、65号相邻的吊架弹簧已经压死，建议尽快安排对整个管系的应力校核，并根据结果进行相应的调整。