火电机组管道支吊架是管道的承载部件，起着承担管道载荷、限制管道位移以及控制管道振动的作用，对管道的安全运行具有重要作用。

管道支吊架从功能和用途方面可分为承重支吊架、限位支架和防振支架3大类，其中承重支吊架主要包括刚性支吊架、变力支吊架和恒力支吊架3种形式。

刚性支吊架主要用于固定管道垂直方向的位移，适用于支吊点没有垂直位移或垂直位移很小且允许约束的场合。变力支吊架承载力随吊点处管道垂直位移的变化而变化，通常用于管道垂直位移不太大的地方，在减小设备承受的推力或力矩方面有重要作用。恒力支吊架承载力不随吊点处管道垂直位移的变化而变化，即荷载基本保持恒定，通常用于需要限制荷载转移或管道垂直位移较大的地方^[1]。

不论采用何种承载支吊架，1条管道上的所有承载支吊架的正常工作载荷应与该管道的有效载荷（含管道自重、介质质量、保温层质量）相匹配，支吊架设计载荷偏小将导致支吊架无法承受管道质量，造成管道不断“下沉”^{[2, 3, 4]}；支吊架设计载荷过大也会导致整条管道或部分管段热膨胀位移受阻^[5]，宏观上表现为管道无法拉动支吊架，支吊架冷、热态指示不变化。不论哪种情况，都将导致管道应力水平提高，管道与设备连接端口推力/推力矩增大，严重时将危及管道的安全稳定运行。

某火电厂锅炉系无锡华光工业锅炉有限公司制造的UG-480/13.7-M型480 t/h超高压再热循环流化床锅炉，锅炉再热器系统与过热器系统的中间连通管包括低温再热器至高温再热器连通管、包墙集箱至低温过热器连通管、低温过热器至屏式过热器连通管、屏式过热器至高温过热器连通管。现场检查发现这些管道上均布置了恒力弹簧支吊架，各支吊架热、冷态指示基本均处于向上卡死状态，锅炉接口附近部分支吊架冷态时已完全失载。通过支吊架指示可知上述连通管道的竖直向热膨胀位移被完全限制，与设计要求严重不符。

下面以低温再热器至高温再热器的连通管为对象进行分析。该管道由低温再热器出口集箱两端引出，经左右2根直径、壁厚分别为457 mm、24 mm的对称连通管引向炉前高温再热器入口集箱，立体布置示意如图 1所示。管道材质为12Cr1MoVG，设计温度419.8 ℃，设计压力2.86 MPa。管道上全部布置恒力弹簧吊架，通过现场检查并核对设计资料，显示该管道上各支吊架型号、规格与设计文件一致，现场安装得当。

图1(Figure 1)

图 1 低温再热管道至高温再热管道布置示意图

针对该低温再热器至高温再热器连通管热胀位移受阻的现状，参考以往管道异常位移处理经验，初步判断故障可能是由于支吊架选型过大造成的。为准确判断管道位移异常的原因，并为故障缺陷的处理提供理论依据，采用管道应力计算软件CAESAR Ⅱ进行管道应力分析与吊点载荷计算。因该管道左右对称布置，在此仅选取炉右侧管道为对象进行计算，计算模型图如图 2所示。

图2(Figure 2)

图 2 管道应力计算模型图

将计算所得的吊点载荷与设计图纸上所选的恒力吊架载荷参数进行对比（见表 1），结果显示各个吊点的支吊架实际载荷较计算载荷明显偏大，整个管道支吊架设计总载荷达到了计算总载荷的2倍左右。

表1(Table 1)

表 1 支吊架型号参数与吊点计算载荷1）

表 1 支吊架型号参数与吊点计算载荷1）

为进一步验证计算结果的准确性，查阅了相关设计图纸等资料，管道质量、支吊架管部附件质量与保温层质量等数据资料如表 2所示。表 2中数据（管道自重，保温层质量）与管道应力计算中的吊点总载荷基本一致，印证了本文计算分析正确，同时也进一步确认了现有支吊架设计载荷过大，阻碍了管道竖直向的正常热位移。

表2(Table 2)

表 2 管道系统质量数据1） t

表 2 管道系统质量数据1）

以上述低温再热器至高温再热器管道应力计算模型为基础，假定正常支吊架选型状态为工况1、给定所有恒力支吊架载荷（即实际安装支吊架的工作载荷）为工况2，对比2种工况在设计运行状态（419.8 ℃，2.86 MPa）下的一、二次应力以及管道端口的推力/推力矩，计算结果对比情况如表 3、表 4所示。

表3(Table 3)

表 3 管道应力计算结果对比表 MPa

表 3 管道应力计算结果对比表

表4(Table 4)

表 4 管道端口推力/推力矩计算结果对比

表 4 管道端口推力/推力矩计算结果对比

计算结果显示，与工况1相比，工况2的一次应力不变、二次应力显著提高，这也与一、二次应力的概念相符（一次应力为管道承受自重、内压等持续荷载作用下而产生的应力；二次应力为管道由于热胀、冷缩和其他由于位移受约束而产生的应力，即二次应力是管道由于变形受约束而产生的正应力或剪应力^[6]），管道竖直向热膨胀受阻后必然导致二次应力增大。

由于管道端口的位移是受锅炉膨胀量决定的，管道竖直向位移受阻后将不能随着锅炉本体自由向下膨胀，必然导致端口推力/推力矩显著增加，对连接端口的焊缝产生不利影响，长久还可能导致管道变形，这也是锅炉接口附近部分支吊架冷态时已完全失载的原因。恒力支吊架载荷超过承担管道质量的实际所需时将导致吊架热/冷态均处于向上卡死状态，吊架实际承载能力未能完全发挥，恒力支吊架也将在实际使用过程中丧失其功能，退化为刚性支吊架。

由上述计算分析结果可知，支吊架实际工作载荷远超管道质量后，管道竖直向自由度将被完全限制，管系应力及端口推力/推力矩均明显增大，虽然管系应力最大值仍在材料许用应力范围内，但极大地降低了管道的安全余量，且随着机组运行时间的增加，管道材料不断老化，所形成的安全隐患也将越来越大。

通过上述计算分析，基本确认了该低温再热器至高温再热器连通管道位移异常的原因，并评估了管道膨胀受阻造成的严重危害。另外，通过相同的计算分析也确认了其他几条连通管热膨胀位移异常的原因同样是吊架选型过大，管道全部荷重无法拉动支吊架。

上述故障均是由于支吊架设计选型错误造成的管道膨胀受阻，鉴于管道均为锅炉侧的主要汽水连通管，且为高温高压管道，管道膨胀受阻将会带来巨大的安全隐患，因此必须进行彻底处理。

兼顾经济性因素，在不改变吊点位置、不更换管夹部件的情况下，依据管道应力分析所得的吊点载荷值，同时考虑支吊架管部附件质量^{[7, 8, 9, 10]}，进行恒力支吊架的重新选型，并在机组检修时将原有选型过大的支吊架全部进行了更换。

在机组重新启动、运行工况稳定后，对上述低温再热器至高温再热器、包墙集箱至低温过热器、低温过热器至屏式过热器、屏式过热器至高温过热器连通管的热膨胀位移情况进行了持续检查。检查结果表明，更换支吊架后各连通管道恢复了正常位移状态，管道热膨胀受阻问题得到彻底解决。通过支吊架的位移指示能够准确、直观地获知管道的热膨胀位移情况^{[11, 12]}，在日常运行中应加强管道支吊架的监督检查，及早发现管道位移异常情况，及时消除安全隐患。

针对某火电机组锅炉侧汽水连通管道热膨胀位移异常故障，以低温再热器至高温再热器连通管为例进行了故障原因分析，确定了故障主要原因为实际支吊架选型载荷过大。依据管道吊点载荷计算结果更换了支吊架后，从根本上消除了故障，经验可供处理类似问题时参考。