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【摘 要】 本文详细阐述了管道损坏的原因，并对其中部分原因进行了模拟建模，分析了损坏机理。介绍了失效支吊架调整的具体案例。
【关键词】 管道损坏；失效；支吊架；调整
一、前言
管道损坏分析是电力系统管道设计中的非常重要和基本的步骤，损坏分析的结论是管道用管件、附件、管道支承件及相关设备设计选用的依据。可以说，管道损坏分析的优劣直接决定了整条管系甚至整套装置的运行成败。
二、管道损坏现象的几种形式
1、蒸汽管道的高温蠕变疲劳损坏
所谓高温蠕变是指在温度T≥（0.3～0.5）t（t为熔点）及远低于屈服强度的应力下，材料随加载时间的延长缓慢地产生塑性变形的现象。电力管道的高温蠕变主要发生在蒸汽温度高于480℃的主蒸汽管道、再热热段蒸汽管道及一些高温的承压部件如：异种钢焊缝、弯头、阀门、三通等部件，由于存在较高的热应力而容易使上述管道和部件因蠕变产生的塑形变形而提前失效。这些部件的使用寿命主要由材料的高温蠕变性能及部件承受的应力所决定。
2.管道过载荷引起的损坏。
如果管道承受的实际载荷超过了设计的热负荷、静力学和动力学数据，则发生了过载荷行为。原因可能有调节装置失灵，冷却水管道、喷水管道及阀门尺寸选择错误，水击、凝结水冲击或汽锤等。这些原因往往导致管道的变形、断裂损坏。西北某电厂曾经发生一起水击，导致多处管道脱离支架，并形成管道的不可逆变形，造成较大损失。
3、管道振动引起的损坏
振动可引起断裂或摩擦部位的管道断裂。引起管道振动的原因非常多，实际运行的管道也经常会出现允许范围内的震动，超范围的正东主要与管道及支吊系统的设计维护有关。
4、管道及接管座的热疲劳损坏
热疲劳损坏包括母管管孔处的热疲劳裂纹。主要发生在喷水减温器、喷水减温减压阀及喷水阀后管道及存在滞留蒸汽管道的管孔及接管座上。热疲劳裂纹产生的机理如下：蒸汽管道支管中存在滞留而引起水滴落在该管壁上的情况时，由于水和蒸汽间存在着巨大的温度差，介质接触表面产生很高的表面应力，引起管道内壁形成网状（或放射状）裂纹。蒸汽的过热度越高，出现冲击裂纹的危险就越大。在很长的管道上加保温层并不能组织凝结水的产生，这样做只能使凝结水量少一点而已。此种损坏现象最多，大多由于设计考虑欠妥及安装失误引起。
5、管道的冲刷、气蚀，壁厚减薄引起泄漏
对有汽水两相流的管道，壁厚因冲刷减薄现象非常严重，如高加疏水、给水泵再循环管道等。
6、管道的腐蚀
除输送酸、碱等化学腐蚀性介质的管道外，容易腐蚀的管道主要为冷却水管道，因内部使用未经处理的生水引起的有氧腐蚀。疏水不畅的压缩空气管道内壁也经常发生腐蚀损坏。
7、机械损伤
如管道外壁的砸伤、电弧灼伤等引起管道有效壁厚减薄及可能引起应力集中而导致设备提前失效。
三、模拟管道的损坏机理
1、管系计算模型
管系的应力分析采用有限单元法，其模型直接用节点和单元构造，端部一侧为汽缸出口，另一侧为除氧器进汽口，整个管系包括直管段、弯管段、阀门、大小头和支管段，支吊架有弹簧吊架和导向支架。坐标系的设置为X轴正方向为#2机侧指向#1机侧，Y轴正方向为竖直向上，Z轴正方向为锅炉侧指向汽机房侧。量纲为牛顿和米（N、M）。（如图1所示）
2、管系的应力分析
管系应力分析依据ANSI/ASMEB31.1-1995《动力管道》，采用ANSYS软件模拟计算。依据管系的设计参数和实测数据，设置边界条件，按照管系的额定运行参数（压力0.453Mpa，温度270.7℃）对管系进行应力计算。计算结果表明管系在P10处局部屈服，且P10处对汽缸的Z方向推力和X方向的力矩均较大。因P28导向支架安装时Z向补偿热膨胀的间距预留得不够，在运行时管系向炉侧（-Z方向）膨胀受阻，而导向支架P12安装留有间隙，使管系向机侧（+Z方向）膨胀，致使P10处局部发生塑性变形，并对汽缸产生很大的反作用力，正是这个反作用力使汽缸开机过程中汽轮机轴瓦振动剧烈。
四、失效支吊架调整对策
1、支吊架检查中发现的问题及对管系的影响
管道支吊架调整工作程序一般为：机组大修停机前支吊架热态检查—支吊架冷态检查—管系应力计算—编制管道支吊架调整方案—支吊架现场调整—机组大修开机后支吊架热态检查。通过对天津地区几家电厂数台机组管道支吊架的检查，发现有很多支吊架存在问题，归纳起来有以下几个方面：变力弹簧吊架因在运行状态时超载卡死，不能正常发挥作用；变力弹簧吊架因位移指示器与套筒卡死，不能自由伸缩；变力弹簧吊架安装时的定位销没有拔除，实际变成了刚性吊架，影响其功能的发挥；恒力弹簧吊架指示器卡在弧型槽两侧不能正常偏转；弹簧托架偏离管道中心，承载能力下降，支吊架吊杆严重偏斜，吊杆完全松动没有受力，吊杆断裂；支吊架位置设计不合理，管道明顯下沉；支吊架形式选择不当，应使用变力或恒力弹簧吊架处，使用了刚性吊架，使管道不能自由变形，造成管道拉裂。
众所周知，高温管道的失效机理是高温蠕变，而决定高温蠕变速度有两个因素，一是温度，二是应力，在一定应力水平下，温度越高，金属材料高温蠕变速度越快，管道使用寿命越短；同样，在一定温度条件下，应力水平越高，金属材料高温蠕变速度越快，管道使用寿命也越短。如果失效的支吊架继续使用，就会造成管道局部的应力集中，加速管道材质的高温蠕变，从而缩短其使用寿命，并给安全运行带来隐患。通过对管系支吊架的调整，使其达到规程规定的要求，可以大大提高了管道安全运行水平。
2、支吊架调整对策的案例
在对某电厂主蒸汽管道检查中发现，一组恒力弹簧吊架热态时，位移指示器偏向弧型槽左侧，而冷态时位移指示器偏向弧型槽右侧，说明该组支吊架设计不甚合理，变形量不够，影响了管道的自由膨胀，因此需要更换量程更大一些的支吊架。经计算后，更换了一组新支吊架后，满足了该部位管道应力及变形的要求，使用效果良好。
对某电厂主蒸汽管道支吊架检查时发现，锅炉出口处水平管道出现明显下沉，弹簧托架下部与管道连接处经检查发现裂纹，说明支吊架设计不合理，经计算表明，该水平管段需要在两组支吊架之间新安装一组支吊架，经加装后重新检查，效果良好。在对某电厂高温再热器管道支吊架检查中发现，由于4号吊架左侧弹簧压死后，使前后的支吊架载荷发生了改变，应力也相应发生改变，4号吊架一次应力从23.8MPa增加到32.6MPa，一次应力增加了37%，其不能承受的载荷必然转移到前后的吊架和弯头等部位，对其它支吊架和应力较大的部位产生不良的影响。4、5号吊架之间的弯头，一次应力从22.0MPa增加到35.2MPa，一次应力增加了60%，由于该弯头受力大幅度增加，会加速材料的高温蠕变，从而大大降低其使用寿命，对管系安全造成非常不利的影响。通过更换新的支吊架后，重新计算表明，高温再热器管道一次应力最大部位的应力从调整前39.3MPa下降到31.5MPa，下降了将近20%，可见，通过管系调整后管道的安全运行水平大大提高。
对于吊杆断裂、偏斜、松动，弹簧吊架指示器舌头卡死，安装定位销没拔等问题，通过使其恢复到正常状态，就可发挥支吊架的功能，满足使用要求。对通过支吊架调整，管道仍存在的局部应力集中部位，应通过加强金属技术监督，如定期进行金相检验等手段对管道寿命进行安全评估，确保管道正常使用。
五、结束语
管道损坏研究是管道设计和使用的一项基本步骤，对问题的预防和故障的及时诊断维护，可以很大程度上提高管道及附件的使用寿命，保证装置的安全运行。
参考文献：
[1]常清根.汽水管道支吊架的日常管理与维修调整[J].华北电力技术，2010
[2]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2011
[3]顾海明，黄振仁，廖传华.管道柔性设计[J].石油化工设备，2001（6）：30-32
[4]ANSI/ASMEB31.1-1995，动力管道[S]
【关键词】 管道损坏；失效；支吊架；调整
一、前言
管道损坏分析是电力系统管道设计中的非常重要和基本的步骤，损坏分析的结论是管道用管件、附件、管道支承件及相关设备设计选用的依据。可以说，管道损坏分析的优劣直接决定了整条管系甚至整套装置的运行成败。
二、管道损坏现象的几种形式
1、蒸汽管道的高温蠕变疲劳损坏
所谓高温蠕变是指在温度T≥（0.3～0.5）t（t为熔点）及远低于屈服强度的应力下，材料随加载时间的延长缓慢地产生塑性变形的现象。电力管道的高温蠕变主要发生在蒸汽温度高于480℃的主蒸汽管道、再热热段蒸汽管道及一些高温的承压部件如：异种钢焊缝、弯头、阀门、三通等部件，由于存在较高的热应力而容易使上述管道和部件因蠕变产生的塑形变形而提前失效。这些部件的使用寿命主要由材料的高温蠕变性能及部件承受的应力所决定。
2.管道过载荷引起的损坏。
如果管道承受的实际载荷超过了设计的热负荷、静力学和动力学数据，则发生了过载荷行为。原因可能有调节装置失灵，冷却水管道、喷水管道及阀门尺寸选择错误，水击、凝结水冲击或汽锤等。这些原因往往导致管道的变形、断裂损坏。西北某电厂曾经发生一起水击，导致多处管道脱离支架，并形成管道的不可逆变形，造成较大损失。
3、管道振动引起的损坏
振动可引起断裂或摩擦部位的管道断裂。引起管道振动的原因非常多，实际运行的管道也经常会出现允许范围内的震动，超范围的正东主要与管道及支吊系统的设计维护有关。
4、管道及接管座的热疲劳损坏
热疲劳损坏包括母管管孔处的热疲劳裂纹。主要发生在喷水减温器、喷水减温减压阀及喷水阀后管道及存在滞留蒸汽管道的管孔及接管座上。热疲劳裂纹产生的机理如下：蒸汽管道支管中存在滞留而引起水滴落在该管壁上的情况时，由于水和蒸汽间存在着巨大的温度差，介质接触表面产生很高的表面应力，引起管道内壁形成网状（或放射状）裂纹。蒸汽的过热度越高，出现冲击裂纹的危险就越大。在很长的管道上加保温层并不能组织凝结水的产生，这样做只能使凝结水量少一点而已。此种损坏现象最多，大多由于设计考虑欠妥及安装失误引起。
5、管道的冲刷、气蚀，壁厚减薄引起泄漏
对有汽水两相流的管道，壁厚因冲刷减薄现象非常严重，如高加疏水、给水泵再循环管道等。
6、管道的腐蚀
除输送酸、碱等化学腐蚀性介质的管道外，容易腐蚀的管道主要为冷却水管道，因内部使用未经处理的生水引起的有氧腐蚀。疏水不畅的压缩空气管道内壁也经常发生腐蚀损坏。
7、机械损伤
如管道外壁的砸伤、电弧灼伤等引起管道有效壁厚减薄及可能引起应力集中而导致设备提前失效。
三、模拟管道的损坏机理
1、管系计算模型
管系的应力分析采用有限单元法，其模型直接用节点和单元构造，端部一侧为汽缸出口，另一侧为除氧器进汽口，整个管系包括直管段、弯管段、阀门、大小头和支管段，支吊架有弹簧吊架和导向支架。坐标系的设置为X轴正方向为#2机侧指向#1机侧，Y轴正方向为竖直向上，Z轴正方向为锅炉侧指向汽机房侧。量纲为牛顿和米（N、M）。（如图1所示）
2、管系的应力分析
管系应力分析依据ANSI/ASMEB31.1-1995《动力管道》，采用ANSYS软件模拟计算。依据管系的设计参数和实测数据，设置边界条件，按照管系的额定运行参数（压力0.453Mpa，温度270.7℃）对管系进行应力计算。计算结果表明管系在P10处局部屈服，且P10处对汽缸的Z方向推力和X方向的力矩均较大。因P28导向支架安装时Z向补偿热膨胀的间距预留得不够，在运行时管系向炉侧（-Z方向）膨胀受阻，而导向支架P12安装留有间隙，使管系向机侧（+Z方向）膨胀，致使P10处局部发生塑性变形，并对汽缸产生很大的反作用力，正是这个反作用力使汽缸开机过程中汽轮机轴瓦振动剧烈。
四、失效支吊架调整对策
1、支吊架检查中发现的问题及对管系的影响
管道支吊架调整工作程序一般为：机组大修停机前支吊架热态检查—支吊架冷态检查—管系应力计算—编制管道支吊架调整方案—支吊架现场调整—机组大修开机后支吊架热态检查。通过对天津地区几家电厂数台机组管道支吊架的检查，发现有很多支吊架存在问题，归纳起来有以下几个方面：变力弹簧吊架因在运行状态时超载卡死，不能正常发挥作用；变力弹簧吊架因位移指示器与套筒卡死，不能自由伸缩；变力弹簧吊架安装时的定位销没有拔除，实际变成了刚性吊架，影响其功能的发挥；恒力弹簧吊架指示器卡在弧型槽两侧不能正常偏转；弹簧托架偏离管道中心，承载能力下降，支吊架吊杆严重偏斜，吊杆完全松动没有受力，吊杆断裂；支吊架位置设计不合理，管道明顯下沉；支吊架形式选择不当，应使用变力或恒力弹簧吊架处，使用了刚性吊架，使管道不能自由变形，造成管道拉裂。
众所周知，高温管道的失效机理是高温蠕变，而决定高温蠕变速度有两个因素，一是温度，二是应力，在一定应力水平下，温度越高，金属材料高温蠕变速度越快，管道使用寿命越短；同样，在一定温度条件下，应力水平越高，金属材料高温蠕变速度越快，管道使用寿命也越短。如果失效的支吊架继续使用，就会造成管道局部的应力集中，加速管道材质的高温蠕变，从而缩短其使用寿命，并给安全运行带来隐患。通过对管系支吊架的调整，使其达到规程规定的要求，可以大大提高了管道安全运行水平。
2、支吊架调整对策的案例
在对某电厂主蒸汽管道检查中发现，一组恒力弹簧吊架热态时，位移指示器偏向弧型槽左侧，而冷态时位移指示器偏向弧型槽右侧，说明该组支吊架设计不甚合理，变形量不够，影响了管道的自由膨胀，因此需要更换量程更大一些的支吊架。经计算后，更换了一组新支吊架后，满足了该部位管道应力及变形的要求，使用效果良好。
对某电厂主蒸汽管道支吊架检查时发现，锅炉出口处水平管道出现明显下沉，弹簧托架下部与管道连接处经检查发现裂纹，说明支吊架设计不合理，经计算表明，该水平管段需要在两组支吊架之间新安装一组支吊架，经加装后重新检查，效果良好。在对某电厂高温再热器管道支吊架检查中发现，由于4号吊架左侧弹簧压死后，使前后的支吊架载荷发生了改变，应力也相应发生改变，4号吊架一次应力从23.8MPa增加到32.6MPa，一次应力增加了37%，其不能承受的载荷必然转移到前后的吊架和弯头等部位，对其它支吊架和应力较大的部位产生不良的影响。4、5号吊架之间的弯头，一次应力从22.0MPa增加到35.2MPa，一次应力增加了60%，由于该弯头受力大幅度增加，会加速材料的高温蠕变，从而大大降低其使用寿命，对管系安全造成非常不利的影响。通过更换新的支吊架后，重新计算表明，高温再热器管道一次应力最大部位的应力从调整前39.3MPa下降到31.5MPa，下降了将近20%，可见，通过管系调整后管道的安全运行水平大大提高。
对于吊杆断裂、偏斜、松动，弹簧吊架指示器舌头卡死，安装定位销没拔等问题，通过使其恢复到正常状态，就可发挥支吊架的功能，满足使用要求。对通过支吊架调整，管道仍存在的局部应力集中部位，应通过加强金属技术监督，如定期进行金相检验等手段对管道寿命进行安全评估，确保管道正常使用。
五、结束语
管道损坏研究是管道设计和使用的一项基本步骤，对问题的预防和故障的及时诊断维护，可以很大程度上提高管道及附件的使用寿命，保证装置的安全运行。
参考文献：
[1]常清根.汽水管道支吊架的日常管理与维修调整[J].华北电力技术，2010
[2]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2011
[3]顾海明，黄振仁，廖传华.管道柔性设计[J].石油化工设备，2001（6）：30-32
[4]ANSI/ASMEB31.1-1995，动力管道[S]