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火電廠高溫管道的彈簧支吊架,其工作荷重的設計值是理論值,往往不等于實際值,在安裝時必須按實際的工作荷重對彈簧支吊架進行調整,稱 冷態調零 。高溫管道在運行中會產生熱位移,熱位移的設計值也不等于實際值,在 冷態調零 的基礎上還要進行熱態調整,稱 熱態調零 。對于30 萬kW 及以上的大機組,熱態調整是保證高溫管道安全的一個不可缺少的工序。
1 影響高溫管道安全的因素
高溫管道是火電廠眾多管道中的主體管系,由它引起的事故不僅要停機停產,還會造成廠毀人亡的后果。因此,保證高溫管道的安全運行是確保電廠安全的重要方面之一。影響高溫管道安全的因素如下:
(1)由熱位移(熱膨脹)引起的熱應力超過材質的允許應力后,引起機械性爆破。
(2)由管重和保溫合成的自重應力,在應力計算中只考慮彈簧支吊架正?？缇嘁鸬耐廨d力,未考慮非正常的外載應力,若出現彈簧支吊架運行不正常造成的脫載,致使原始熱應力計算失效,無法保證管系安全。
(3)由運行操作失誤而引起的事故,如疏水、暖管等造成的動態沖擊爆管。
(4)由溫差應力造成的后果,如彈簧支吊架無保溫,特別對低合金鋼管材長期處在溫差較大的環境下更能產生溫差應力,對管道材質引起損傷,造成隱蔽事故。故需使用先保溫后裝彈簧支吊架的節能型轉載式支吊架。
(5)彈簧支吊架性質定性不當、或定性點失誤(如該自由而導向或該點有向上位移而定為剛性等),造成的增加推力以及脫載等后果,其性質與爆管無異。
(6)由管系中垂直位移所配的彈簧有誤、或是計算不當引起的彈簧失配以及彈簧本身的問題等,所造成的后果是部分脫載,屬隱蔽性事故。若整體設計中的安全系數偏低,很容易擴大事故的范圍。
2 彈簧支吊架調整的目的
2.1 注意設計值與實際值不相符的問題在設計中的工作荷重是理論值,它不等于實際值。例如,與設備相連的管系究竟按多少比例來分配,靜力矩分配如考慮坡度后的修正值該多少,管道單重與保溫厚度容重的誤差、安裝偏差以及垂直管系的分配,在設計時往往是主觀取值,它不符合實際值。
關于熱位移理論,除了特別簡單的管系能正確判斷外,大多數管系的理論熱位移值與實際值不相符。所以,設計中所配的彈簧只能是一個參考值而已。
2.2 冷態調零 與 熱態調零
由于在設計中的工作荷重僅是一個參考值,需求真正的實際荷重。故在冷態中以調整求取,這就是俗稱的 冷態調零 。
同樣,在設計中的熱位移值也是一個參考值,甚至在個別工程中失去參考價值。故在 冷態調零 的基礎上用熱態來恢復(即調整),這就是俗稱的 熱態調零 。
關于冷態與熱態的關系在于:如果只作冷態調整,不作熱態調整,熱態時的外載附加應力增大;如果再作熱態調整,則運行狀態下可消除外載附加應力;由于管系不同于機、爐,停機停爐時多數管系不停,長期處在年運行8 760 h 的工況下,少一些應力,可增加管系的壽命。因此,冷態調整是基礎,熱態調整是目的。
3 彈簧支吊架調整方法
3.1 冷態調零
當安裝管系時,分段吊裝、定位,把臨時支吊架定位在管系上(多數支吊架沒有剛性過渡結構,可用正式支吊架直接代用臨時支吊架,如以往將彈簧支吊架用圓鋼臨時焊死,使彈簧失去作用),此時的支吊架為剛性。當設備接口及各管段焊口完畢后(包括冷緊工藝和措施),臨時支吊架(或剛性支吊架)上所承受的力均為自然承載力,加上保溫后,即成為真正的工作荷重。
按定位后的管線(包括已冷緊),在無位移的結構上(如土建的梁、柱、樓板等以及支吊架的根部)裝設一個指針到支吊點的管中心處,并作出刻度表計,中心點零處為冷態的實際負重點。當剛性支吊架變成彈簧支吊
架時,該點必然動作,指針下移時表示彈簧預壓力大于實際荷重,上移時表示彈簧預壓力小于實際荷重。把彈簧壓緊或放松使指針調到零位,即為 冷態調零 ,此時彈簧的承受力等于實際荷重。若彈簧調整不到零位,說明多數彈簧選型偏小,也就證明設計計算荷重有誤。當冷熱二態全部調好并作好詳細記錄后,指針裝置可拆除。
調整步驟為從上至下、從設備聯接處至固定支架或從固定支架至設備。在調每一只彈簧時,要預先作好記錄準備,內容為:彈簧型號、最大壓縮量與最大荷重(有出廠記錄還不夠,尚需工地再作一次實測記錄)、預壓量(預壓換算荷重)、現場調零時的壓縮量(換算荷重)、第1次粗調值、第2 次細調值、第3 次精調值。假設管系中有10 個支點,需將10 點換算荷重相加,去核對設計中的工作荷重以及工地實際安裝材料的總重,不平衡的多余部分必然分擔在設備接口上,尤其要核對汽機接口的允許靜載值,以免造成對汽機過大的影響。
對彈簧的現場測試非常重要。以往工程都忽略了這點,認為彈簧制造廠既然出廠必然正確,這是一個誤會,因為彈簧制造廠不生產彈簧鋼材,最長的一只彈簧需長7 m或以上的彈簧圓鋼,治金部門不可能保證在7 m的彈簧圓鋼中每一點材質都均勻。位移越大的彈簧其質量越難保證,而溫度越高的管道,位移越大。所以施工現場復測彈簧特性是必不可少的一道手續,否則,整個調整過程的數據都是虛偽的值。
假設從汽包至汽機有一管系,如圖1 所示。整體調整程序為:以靠近上端設備的第1 個支點為起點,調好后只能稱粗調;調第2 只時會影響第1 只,故回過來細調第1 只;調第3 只時,第2 只為細調,第1 只仍需檢查有否需要精調的必要,一般情況只需細調;以此類推,直到調最后1 只,整根管系冷態調整結束。
3.2 熱態調零
熱態調零 是指在有位移的情況下,該支點仍需承擔其實際行重。但實際荷重已在 冷態調零 時解決,所以 熱態調零 是在冷態的基礎上而言的,沒有冷態的數據,無從調起。過去有人認為可以不用冷態而直接用熱態調,那是基于設計計算上的數據,上述已闡明設計值本身是一個虛偽的值,那么用這個值去調等于是虛調,毫無意義。
熱態調整步驟與方法與冷態相同,也是從冷態的第1 只彈簧開始到最后,把冷態上作出記錄的值用在熱態上。如第1 只在冷態時彈簧壓縮值為62mm,由于熱態向上位移,彈簧壓縮值變為55 mm(說明向上位移7 mm),這時仍需回復壓至62 mm,說明在熱態時所承受的荷重與冷態相同,即可完成熱態調整的目的。
在熱態調整過程中同樣要作好調整記錄,內容為:冷態時的彈簧高度(或壓縮值),升溫后的彈簧高度(或壓縮值),該點實際位移量,校核設計中的熱位移值。在整根管系中如有剛性吊架,發現熱態拉桿松動應及時與設計部門商議,換彈簧支吊架或改支吊點。
4 其他問題
4.1 上述調整的對象是針對直接使用線性彈簧而言,如遇恒作用力支吊架時,會遇到困難。因為普通彈簧支吊架內有的設剛性裝置,有的沒有,工地上也會用臨時焊接固定,在調整時焊割松開。如遇H 形恒作用力支吊架,既無剛性設置,又難焊接固定,可在根部項板與活動內殼間塞物卡死,調整時取下即可。但用恒作用力彈簧支吊架會有一大缺點,即不可能求出實際荷重(因只有框限范圍,無定量固定值)。所以,不可能在整體管線上全用恒作用力支吊架。
4.2 原電力部從未對此專題進行深入研究。因過去隱蔽事故從未造成災害而被忽略;另一原因是過去裝機容量小,負載小,事政機率也小。故施工與驗收條例中規定在冷態調整后拆除腳手架,致使無法進行熱態調整。而現在,我國把30 萬kW 與60 萬kW 機組作為主力機組,其管系荷重大大增加,最大的熱位移可達300 mm 以上,如不進行熱態調整,其隱蔽事故的機率將大大升高。為此,必需打破原有禁令,腳手架安排在熱態調整后拆除。
4.3 對于冷熱二態的調整,實際上是理論與實踐的一次驗證,也是要求得理論與實際間的一個修正值。這是設計部門用來提高設計水平的一次良機,更是施工部門保證安裝質量的一次檢驗。因此,這個工作,不僅是施工人員的工作,也是設計部門的工作。在施工現場調整時,施工與設計必需組成聯合調整組。彈簧支吊架調整過程記錄與總結報告是留給投資方的一份重要檔案。
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