某电厂高温再热蒸汽管道立管管夹变形原因及结构优化

王 彪,秦旭明,曹先慧,陈亮平

(1.湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司,长沙 410000；2.湖南省湘电试验研究院有限公司,长沙 410000)

支吊架是电厂汽水管道系统中的重要组成部分，具有安全承受管道载荷、合理约束管道位移、限制管道端口对所连接设备的推力和扭矩、增加管系稳定性及防止管道振动等功能[1]。由于支吊架承载情况复杂，因此很容易发生失效[2-4]，这会使管道发生局部应力集中，进而导致管道使用寿命变短，严重影响机组的安全运行。

某电厂330 MW亚临界燃煤发电机组的高温再热蒸汽管道设计温度为545 ℃，设计压力为4.699 MPa，材料牌号为A335-P91。机组在冷、热态检查过程中，发现高温再热蒸汽管道立管段2号恒力吊架在未出现过载的情况下，管夹尾部明显上翘，变形部位主要集中在直段与弯曲段的转角处，如图1所示。该管夹材料为12Cr1MoVR钢，恒力吊架载荷为97 220 N。笔者通过几何尺寸测量、化学成分分析、拉伸试验及热-结构耦合有限元分析等方法，分析了管夹变形的原因。

图1 变形管夹的宏观形貌

1 理化检验

1.1 几何尺寸测量

变形立管管夹及相应管段的结构示意如图2所示。管道外径为747.5 mm，壁厚为34 mm，管夹的相关尺寸见表1。

图2 管夹及相应管段的结构示意

表1 管夹的几何尺寸测量结果 mm

1.2 化学成分分析

依据GB/T 14203-2016《火花放电原子发射光谱分析法通则》，对变形管夹进行化学成分分析，试样1取自管夹弯曲段，试样2取自管夹直段与弯曲段的转角处，试样3取自管夹保温层外的直段处，结果见表2，管夹的化学成分符合GB/T 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》标准对12Cr1MoVR钢的技术要求。

表2 管夹的化学成分

1.3 拉伸试验

依据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，采用电子拉伸万能试验机对管夹试样1，2，3进行拉伸试验。试验结果见表3，其拉伸性能均满足GB/T 713-2014标准对12Cr1MoVR钢的技术要求。

表3 管夹的拉伸试验结果

依据GB/T 228.2-2015《金属材料拉伸试验 第2部分：高温试验方法》，采用SANS万能试验机对管夹试样1，2，3进行高温拉伸试验，试验温度为400 ℃，试验结果见表4,其屈服强度均满足GB/T 713-2014标准对12Cr1MoVR钢的技术要求。

表4 管夹的高温拉伸试验结果

2 热-结构耦合分析

管夹弯曲段(试样1)长期处于高温环境中，保温层外的管夹直段(试样3)所处环境的最高温度不超过80 ℃，两处试样的化学成分和拉伸性能均基本相同，不存在长期高温作用导致材料强度降低的情况。考虑到管夹弯曲段长期处于高温环境中，对该管夹进行热-结构耦合分析，研究管夹在高温环境中的应力分布情况。

2.1 管夹温度和应力分布情况

根据管夹的实际尺寸和热物理参数，建立管夹的有限元模型，管道与管夹之间、管夹与螺栓之间通过接触属性设置连接，其相关热物理参数见表5。该管段保温层厚度为260 mm，为简化计算，保温层视为绝热，管夹与空气设置为对流换热，对管道内壁施加545 ℃的温度载荷。在管道运行稳定后，管夹基本处于静止状态，主要承受管道的重力，在结构分析中，限制管道拉杆的竖向位移，只考虑重力对管夹的影响。

表5 12Cr1MoVR钢的热物理参数

由图3可见，模拟得到管夹直段与弯段转角处温度超过400 ℃，且存在应力集中现象，最大等效应力为181.4 MPa，超过了该温度下材料的屈服强度，该处会产生塑性变形，这与现场管夹情况基本一致。

图3 模拟得到管夹的温度和应力分布

2.2 管夹结构优化分析

变形立管管夹服役时间超过10 a，其设计时所依据的《汽水管道支吊架设计手册》(西北院1983版)，未对非标件管夹的尺寸做具体要求。现行《发电厂汽水管道支吊架设计手册》(D-ZD2010)中提出，当管道外径超过325 mm时，立管管夹需设置肋板，而该变形管夹无肋板。由于各吊架载荷和吊点间间距均不同，现行设计手册和GB/T 17116.2-2018 《管道支吊架 第2部分：管道连接部件》都未对管夹厚度(板材厚度)做明确要求。基于以上分析，考虑在不改变管夹其他设计参数的情况下，通过增加管夹厚度、设置肋板来提高管夹的承载强度，降低管夹应力。

将管夹厚度由原来的24 mm增至30 mm，在管夹直段与弯曲段的转角处设置肋板，对优化后的管夹进行有限元分析。由图4可见，优化后管夹的最大等效应力降低至171.0 MPa，在吊点位置处，该处温度低于100 ℃，其应力低于相应温度下材料的屈服强度。管夹直段与弯曲段转角处的最大等效应力未超过120 MPa，远低于优化前管夹的最大等效应力(181.4MPa)，也小于相应温度下材料的屈服强度。

图4 模拟得到优化后管夹的温度与应力分布

3 结论及建议

(1)在高温环境中，管夹在直段与弯曲段的转角处存在应力集中现象，其等效应力超过相应温度下材料的屈服强度，导致管夹变形。

(2)通过增加管夹厚度和在管夹直段与弯曲段转角处设置肋板，可有效防止管夹变形，提高管夹的承载能力，保障管道的安全运行。

(3)在管夹设计过程中，应根据吊架的承载情况和管道服役环境，对管夹进行强度校核。