主蒸汽管道沉降故障分析及整治

主蒸汽管道沉降故障分析及整治

张淑霞李志刚

中国核电工程有限公司江苏省连云港市222000

摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，针对检查时发现主蒸汽管道沉降严重，通过对管系支吊架的全面检查及分析，发现刚性吊架管夹设计不合理、恒力吊架性能差和部分选型错误这三个问题导致了故障的发生，通过针对性的整治，主蒸汽管道沉降问题得以解决，保证了机组的安全。

关键词：主蒸汽管道沉降；支吊架；管夹

引言

油气输送主蒸汽管道大多为埋地主蒸汽管道,由于地基沉降、冻胀、融沉等原因的影响，会使主蒸汽管道发生沉降或抬升。一旦发生事故，将有可能引起燃烧、爆炸、环境污染等恶劣后果。主蒸汽管道沉降可分为垂直沉降和倾斜沉降两种形式。若图1中主蒸汽管道入地端的Y方向垂直位移和X方向水平位移同时存在，则发生倾斜沉降。倾斜沉降对主蒸汽管道的危害远大于垂直沉降的危害。对于发生垂直沉降的主蒸汽管道，多采用回填或压力灌浆的方法进行处理；而对于倾斜沉降的主蒸汽管道，进行回填或压力灌浆的同时，还应在主蒸汽管道最危险处进行补强。将主蒸汽管道分为埋地部分?、暴露在地面部分以及埋地部分和暴露在地面部分之间的衔接段，分别计算主蒸汽管道的应力特征，从而评估主蒸汽管道的安全性。提出了一种简单有效的地质灾害地区主蒸汽管道应变分析方法。采用有限元法对埋地主蒸汽管道在地面过载下的力学行为进行了研究，讨论了不同因素对埋地主蒸汽管道应力应变的影响，并设计出一种用于防止地面过载的埋地主蒸汽管道保护装置。介绍了滑坡位移监测技术的相关理论，基于某天然气主蒸汽管道滑坡段的环境地质特征进行位移监测，并提出了针对性的治理措施及建议。传统的沉降监测方法需要在沉降前对主蒸汽管道长期监控，对于已经发生沉降的主蒸汽管道，则无法确认其沉降模式。因此，本文提出了一种识别主蒸汽管道沉降模式的方法，为接下来的沉降治理提供依据。以发生沉降的某储气库场站主蒸汽管道为例。首先采用水准仪测量沉降主蒸汽管道的垂直位移量；然后依据沉降主蒸汽管道的几何形状和尺寸，建立有限元模型，并施加水准仪测得的垂向位移量。由于主蒸汽管道沉降后的水平位移量难以直接测定，便在有限元模型中假设一系列水平位移量试算，与超声残余应力的轴向测试值比较，通过有限元模型反求的方式，获得沉降主蒸汽管道的水平位移量，从而确定主蒸汽管道的沉降模式。由于倾斜沉降导致的侧向位移量（图1中的Z向）通常较小，文章中忽略了它的作用。

图1水准测量测点分布图

1故障分析

1.1结构设计不合理

分析3号刚吊管夹开裂的位置和形貌，开裂为管夹的上钢板和筋板焊接处，起始开裂位置为筋板和上钢板焊接的焊缝处，呈45°扩展，在运行工况下，该处中间下弯变形加剧，由于筋板的拘束导致局部应变无法协调而在应力集中的焊缝位置产生剪切开裂。过载将导致该处变形加剧，但受筋板的拘束，该处无法产生相适应的变形，导致局部的拘束应力过大而开裂。无筋板情况下，过载导致的开裂一般在下钢板产生。因为管夹下钢板承受的主要是拉应力，而上钢板承受的主要是压应力，上钢板开裂而下钢板未开裂的情况罕有。此类局部变形不协调导致的开裂，开裂后形变拘束消除，局部的峰值应力将减少，裂纹不会进一步快速扩展而导致整个管夹断裂，但开裂后会导致下钢板变形增大，应力也增大，使用寿命大幅下降。将问题管夹与设计手册中的795轴向动载管夹对比，管夹上下钢板间B位置增加焊接了筋板，而设计手册中并无筋板设计，结合上述的分析，判断3号刚吊管夹结构设计不合理。

1.2原软基处理方法

蒸汽主蒸汽管道按工艺需求分为地下管沟段和地上支架架空段。地下管沟基础以下采用水泥搅拌桩复合地基处理，沿主蒸汽管道布设2排600mm水泥搅拌桩，桩间距1.5m，排距1.4m，水泥搅拌桩有效桩长10.0～10.5m，复合地基承载力特征值不低于120kN。架空主蒸汽管道立柱基础以下采用4根或6根600mm水泥搅拌桩处理，有效桩长8～10m，复合地基承载力同地下管沟段水泥搅拌桩。

1.3制作工艺不合理

检查3号刚吊管夹上钢板和下钢板均采用拼板制作，上钢板在A位置（下钢板在同一位置）采用对接焊接（见图3），设计手册中虽无相关说明，但是根据焊接件焊缝应避免在应力集中位置的原则，一是管夹上下钢板A位置是管夹使用时的最大变形位置，应避免对接焊缝；二是B位置增加焊接筋板的角焊缝与A位置焊缝重叠，产生应力集中，因此制作工艺不合理。

2整治措施

2.1树根桩加固机理

树根桩可用于既有建筑地基加固及新建建筑地基处理，特别适用于淤泥、淤泥质土、人工填土等地基处理，具有施工速度快、扰动小等优点，利于既有建筑加固。树根桩桩径一般为150～300mm，桩体材料为充填碎石，再注入水泥浆，树根桩桩体内设不少于3根主筋的简易钢筋笼，可提高桩的承载、抗剪性能。树根桩作为一种简易的刚性桩，单桩可提供较高的承载力;注浆时保持一定的注浆压力，桩与土体紧密结合，浆液可进入土体孔隙中，对桩间土亦有一定程度的改良。

2.2沉降模式识别

在入地端施加140?mm垂向位移量的同时，分别施加水平位移量–10?mm，0?mm和10?mm进行试算。将不同位移组合的轴向应力计算结果与现场检测的结果进行对比。图8的结果显示，主蒸汽管道在水平位移量为0?mm时，应力测点1~6为轴向受拉，应力测点7、测点8轴向受压，整体呈上拉下压的弯曲状态，与超声残余应力测试结果趋势相同。模拟轴向应力与测试轴向应力的最大差异发生在测点6，两者相差了47.8%。主蒸汽管道在水平位移量为–10?mm时，应力测点1~6为轴向受拉，应力测点7、测点8轴向受压，整体呈上拉下压的弯曲状态，与超声残余应力测试结果趋势相同。模拟轴向应力与测试轴向应力的最大差异发生在测点6，两者相差了36.1%。

2.3刚性吊架管夹升级

刚性吊架管夹更换，要求严格按照设计手册的结构工艺进行生产，同时为保证热态载荷余量，计划将#3刚性吊架管夹由795470660型升级为795490660型，加厚管夹，使其610℃许用载荷从396KN提高到523KN；对于出厂预制在母管上的上下各4个管夹卡块，进行承载力核算：卡块材质P92、工作温度610℃，许用拉伸应力80N/mm2；卡块与主蒸汽管道连接角焊缝许用剪切应力为钢板基材许用拉伸应力的80%，=80N/mm2×80%=64N/mm2；根据支吊架设计手册，卡块尺寸a×b×h设计要求为20×60×250以上，实际尺寸为25×125×250，实际焊缝总长L=（250-12）×2+25=501mm，焊缝喉高hw=12×0.7=8.4mm则卡块总许用轴向力F=×L×hw×4=64×501×8.4×4=1077350N卡块与管夹接触段许用压缩应力与许用拉伸应力相等，即80N/mm2；则卡块总许用轴向力F=×a×b×4=80×125×25×4=1000000N=1000KN。卡块最大总承载力为1000KN>523KN，符合升级需求；同时对管夹卡块承力焊缝的表面检查和探伤工作，确认无裂纹，说明目前过载的情况下，卡块的强度也足够，升级管夹仍可采用原来的卡块，不必增加在母材上进行现场的焊接、热处理的风险。

结语

在压力主蒸汽管道系统中，支吊架起着承受荷载、控制位移的重要作用，支吊架载荷分布、恒定度性能、工艺结构的好坏直接影响主蒸汽管道的使用寿命及机组安全，及时检验并有针对性的整治是保证长期安全使用的关键。

参考文献

[1]GB/T17116.1-2018主蒸汽管道支吊架第1部分：技术规范.[S].

[2]D-ZD2010发电厂汽水主蒸汽管道支吊架设计手册.[M].上海，中西书局.2011.342.