火力发电厂汽水管道支吊架讲座剖析

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1、火力发电厂汽水管道支吊架讲座,武汉大学 刘尚慈,1概述 1.1 支吊架的作用 对汽水管道起着支承重量、平衡介质反力、限制位移和防止振动。 管道支吊架的正常工作状态保证了管系应力符合设计要求，从而使管道达到设计寿命。 1.2 支吊架的分类 承重类：支架、吊架 限位类：刚性吊架、导向支架、固定支座 减振类：减振器、阻尼器 按结构分类：弹簧支吊架、恒力吊架,1.3 支吊架的荷重 1.3.1 支吊架荷重的组成 管子重量；管件（阀门、三通、法兰）重量；保温层重量；管内液态介质重量；弹簧支吊架中弹簧的压缩力（上热位移的支吊点）；弹簧支吊架的转移荷重；滑动支架的摩擦力；管道热胀冷缩、冷紧产生的力或力矩；介质

2、排气反力；地震力；室外管道所受风雪载荷等。,1.3.2 工作荷重、安装荷重 工作荷重：管道热态工作时支吊架的承载荷重 安装荷重：管冷态时支吊架的承载荷重 结构荷重：1.5倍工作荷重、作为过载及支吊架零件强度校核依据,1.4 支吊点的热位移及影响 1.4.1 热位移 管道由冷态到热态时，由于热膨胀使各支吊点产生相应的移动量。 上热位移 下热位移 水平热移,1.4.2 热位移作用 设计参数之一，是支吊架设计选型依据之一； 冷紧，管道热膨胀产生的约束力和力矩，由固定支架和限位支吊架承受。管系受到的热胀应力（二次应力）是管道应力验算的要求之一。管系运行中由于种种原因产生的热应力明显超过设计要求时，会减

3、少管系寿命。为了减少管系的热胀力，安装时要进行冷紧。, 对管道安装及运行的影响 支吊点有水平方向的热位移时，要采用滚珠（柱）盘等减小膨胀及收缩时的摩擦力及保证管道正常热胀。 有水平方向热位移的吊架，吊杆必须有足够的长度，安装时要适当偏装。选用恒力吊架时，上位移的支吊点采用转动体下偏装，下位移的支吊点采用上偏装。 运行中管道的热位移量往往与设计热位量不符、情况严重时会引起各支吊架设计工作荷载与实际工作荷载明显不同；甚至一些支吊架发生脱空或卡死。选用弹簧支吊架时，过大超过设计值的下位移会使弹簧压死，过大的上位移会使弹簧脱空。过大的上位移可能使恒力吊架脱载、过大的下位移会使恒力吊架转动体卡死并过载。

4、 安装时冷紧量往往与设计值不符，这也是支吊点实际热位移值与设计值不符的原因之一。,1.4.3 对热位移的监督 首次升温时，检查管道膨胀是否受阻； 管道热位移较大，应在测量方便处设置三向 位移指示器； 机组首次启动前和启动后蒸汽参数达额定后8h，以及停机后管壁降温至接近环境温度时各测量一次三向位移值； 大修时在停机后（管壁温度接近环境温度时），以及启动待蒸汽参数达额定后8h，各测量一次三向位移值。 当各支吊点实际热位移值与设计值相差太大，甚至引起有的支吊脱空或卡死、应查明原因及时纠正。 必要时，建议测量各支吊点的热位移。,1.5 支吊架的间距 支吊架间距是保证管道的强度和防止过大变形的重要参数，

5、它由管道的自重（包括保温层重量）、刚度等确定。 水平管道的轴向一次应力中，自重产生的轴向应力占有较大的比例、且自重应力与支吊架间距的平方成正比，立管中由自重产生的轴向应力与吊架间距成正比。 设计中正确选择支吊架间距不但保证管道的强度，而且使得各计算管段（如两支吊之间的弯管可作为计算管段）的一次应力、一次二次应力的数值相近。 运行中若有支吊架脱载，不但发生荷载的转移、显然支吊架间距也发生根本改变。,按照DL/T5054-96火力发电厂汽水管道设计技术规定等。 管道的最大挠度2.62mm，均布荷载水平直管段的支吊架允许最大间距为： （m） 式中：Et材料设计温度下的弹性模数，kN/mm2； I管子

6、截面惯性矩，cm4； q管道单位长度自重，kN/m。, 按照强度条件、均布荷载水平直管段的最大支吊架间距为： （m） 式中：w管子截面抗弯矩，cm3。 水平90弯管两端支吊架的管段展开长度，不应大于水平直管段上允许支吊架最大间距的0.73倍。 垂直管段上支吊架的间距，可大于水平管段支吊架最大允许间距的数值。但不应超过支吊架的允许荷重，同时还应注意支吊架间距增大后，不致降低管道的稳定性而引起管道震动。,1.6 支吊架零部件 支吊架零部件分为管部、连接件、根部三部分。 单槽钢吊架根部零件、吊杆应通过槽钢的抗弯中心，否则槽钢不但受弯而且受扭。槽钢弯曲中心e按下式计算（图1）。 （cm） 式中：Jx槽

7、钢断面对x轴的惯性矩，cm4； H、b、t槽钢截面尺寸参数，cm；,图1, 滑动支架、导向支架的滑动面采用聚四氟乙烯塑料板，原火力发电厂汽水管道设计导则推荐选用滚珠盘或滚柱盘支架。 运行中滑动支架、导向支架可能发生卡涩或脱空。,2 弹簧支吊架 弹簧支吊架典型结构见图2。弹簧支吊架的荷重直接与弹簧力相平衡，即弹簧力F等于弹簧刚度与压缩值的乘积。 式中：F弹簧力（N）； 刚度（N/mm）； 弹簧压缩值（mm）； 或 式中：K 弹簧系数（mm/N）。,图2 可变力弹簧支吊架典型结构 1底板；2壳体；3弹簧； 4顶板；5指示板；6松紧螺母,支吊架弹簧应满足以下要求： （1）表面不应有裂纹、折迭、分层等

8、缺陷，弹簧材料应满足60Si2MnA钢的技术要求； （2）弹簧两端应有不少于3/4圈的拼紧圈，两端应磨平，磨平部分不少于3/4圈。 （3）弹簧规格（丝径d、外径D、自由高度H0、刚度系数 、弹簧系数K、节距t、工作圈数、总圈数、允许压缩值或最大工作变形量 、允许荷重 等）应符合要求，支吊架弹簧规格可查阅有关手册。,2.1 弹簧选择原则 （1）弹簧压缩值在最大工作变形量 与最小工作变形量 之间。 （2）弹簧的安装荷载或工作荷载不超过弹簧允许荷重 。 （3）串联安装，单个弹簧变形量不能满足支吊点热位量时采用，串联安装时每个弹簧的荷重相同、等于工作荷重。因此，串联安装时所选用的弹簧号相同的弹簧，其类

9、别（即允许压缩值或自由高度）可不同，串联安装时两个弹簧的热位移值按弹簧的最大允许荷载下变形量比例分配。 （4）并联安装，单个弹簧不能满足荷重要求或结构上需要采用双吊结构时，选用并联安装。此时各弹簧的工作荷重相同、热位移也相同，并联弹簧的型号完全相同。,2.2 弹簧吊架的故障 （1）脱开； （2）压死； （3）压偏； （4）弹簧断裂； （5）规格型号与设计不符； （6）弹簧压缩高度与设计值相差过大。,3 恒力吊架 弹簧吊架在工作中由于实际热位移与设计不同、使得实际工作高度与设计工作高度不同时，其实际工作荷重与设计值不同。管道在起停过程中，支吊点的热位移不断变动、弹簧支吊架的实际工作荷载也变动。支

10、吊点的热位移很大时，弹簧吊架要多个串联才能使用，而有时结构上不允许。恒力吊架适合在热位移值大，实际热位移不能准确掌握，对荷重变化要求严格时选用。在整个热位移过程中恒力吊架荷重始终不变。,3.1 恒力吊架结构及工作原理 典型恒力吊架结构如图3，它由固定框架12（外壳）、弹簧16、载荷调节器9、转动体（回转框架）10等组成。转动体绕主轴1可以在外壳中转动，外壳通过生根螺栓11与槽钢吊架根部相联结。转动体的一端通过挂孔7与吊杆3及载荷螺栓6等联结、吊杆可以沿挂孔转动（通常转动体有多个挂孔，分布在以主轴1为中心的同一辐射半径上）。转动体中有荷载调节器螺栓，弹簧力通过拉板13及拉杆螺栓15作用在载荷调节

11、器9的调整螺栓中部位置。弹簧固定在外壳上，弹簧力由拉杆螺栓传给拉板，二者之间活动联结。,图3 恒力吊架典型结构,恒力吊架的工作原理可由图4的分析说明。图中A为主轴1、B为挂孔位置、C为弹簧力作用在荷载调节螺栓上的位置（即拉板13与其交点）、D为弹簧座在外壳上的位置。 转动体上荷载W、弹簧力F组成以主轴A为中心的二个力矩、工作时它们大小相同、反向相反。,图4 恒力吊架工作原理分析图,是荷载W对A轴的力臂，h是弹簧力F对A轴的力臂。h与T的关系如下得出： 在ADC中，按正弦定理： （3-2） 又弹簧力 （3-3） 式中：为弹簧刚度（N/mm），为弹簧压缩值（mm），由以上3式可得： （3-4） 在

12、结构上可做到R=T，由图3可见只要V=S即可。通常二者均为60，如果恒力吊架装配时，使得，则工作中仍然保持，可得： （3-5） 由（3-5）式可见工作荷重W与支吊架热位移无关，而且保持不变。,3.2 使用及安装要点 转动体工作时AB轴线与水平轴线夹角在30范围之内（分别由上下限位器限制），所以恒力吊架的允许热位值等于AB（mm）值。当支吊架热位移向上时，转动体（AB）采用下偏安装，若热位移向下时，采用上偏安装。转动体偏装方式及安装偏角应按设计图纸的要求，挂孔位置也应按设计要求选用，荷重要求通过调整AC值达到。 恒力吊架的技术参数有：型号、荷重范围、允许热位移、挂孔位置、弹簧号、尺寸参数（AC值

13、、AD值）等。,3.3 恒力吊架故障或失效要点 （1）设计与现场情况不符使得恒力吊架脱空（转动体转至上30后被上限位器卡死）。 （2）同1情况，恒力吊架卡死成为“刚吊”（转动体转至下30后被下限位器卡死）。 （3）挂孔位置安装错误，不符合设计要求。 （4）偏装角与设计要求不符（上偏装误装成下偏装、下偏装误装成上偏装、偏装角不符等）。 （5）吊杆明显偏斜。,4 限位支吊架 弹簧支吊架与恒力吊架都不能承受管道的热胀和冷缩力或力矩，对热位移不能限制。大容量机组的主蒸汽管道、再热蒸汽管道长度大、使管道支吊点热位移值也大幅度增加、大机组炉外蒸汽管道管径大、管壁厚、热膨胀值又大，因此对设备和建筑结构的热胀

14、冷缩力或力矩也很大，旁路管道管系刚度较大（管线较短）、而与主管的接口处主管的热位移较大，以上几种情况就需要在管系的适当位置采用限位支吊架。 限位支吊架限制一个或二个方向的线位移，而对管道角位移不加限制。有的限位支吊架，也承受管道荷重。 设置限位支吊架后，把管段分成若干个独立管段，使热位移下降。,采用限位支吊架可以降低管道的热胀应力（二次应力），在一些高应力点附近可以设置。 管系中采用一定数重的承重型限位支吊架，则管系发生荷重转移时（安装调整后仍偏离设计、运行中支吊架状况不正常引起）不致使管道端点力或力矩过大，转移的荷重将分摊部分于限位支吊架上。这样，对管道和被接设置危害将减小。 一般的固定支架

15、、滑动支架、导向支架、刚性吊架，虽然也有限位功能，但不属于专用限位支吊架。固定支架限制三个方向的线位移和角位移，即完全限位。一般的滑动支架和刚性吊架，用在y向热位移为零的支吊点，没有限位要求。,4.1 限位导向支架 这是承重型限位支架，用于水平管道上，限位方向为y向向下和垂直于管道轴线的水平方向。但限位导向支架，不能限制管道角位移，只能用于允许管道水平面角位移为0.62的范围。 限位导向支架多用水平布置的形补偿器两侧，或用于轴向补偿的波形补偿器的两侧。,4.2 限位刚性吊架 用于有y向下热位移的吊点，限制吊点的向下热位移。限位刚性吊架不但承重且承受较大的限位力，故吊杆直径比一般刚性吊架大，使用中限位刚性吊架的实际工作荷重与设计工作荷重往往有很大的偏差，故安装调整支吊架荷重时，需要对限位刚性吊架的荷重进行实测，防止对管道自重产生的一次应力过大。 限位刚吊的故障有：荷载减小；脱空。,4.3 限位支吊架 限制支吊点水平位移可装于水平管段和立管上。 4.4 拉撑杆限位支架 限制支吊点沿拉撑杆轴方向的（纵向）热位移，杆件可有5的转角活动范围，故其它方向的热位移无限位作用。拉撑杆的杆长按杆端点的横向位移量的15倍选取，如3米长的拉撑杆可满足400（200）毫米的水平位移，安装时要偏装一半横位移。,5 主蒸汽管道支吊架及其分布,