超臨界鍋爐減溫器噴管斷裂分析及對(duì)策

李鵬新笪耀東董本萬

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.焦作鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所 焦作 454000）

超臨界鍋爐減溫器噴管斷裂分析及對(duì)策

李鵬新1笪耀東1董本萬2

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.焦作鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所 焦作 454000）

本文介紹了超臨界電站鍋爐較多采用的噴管懸臂式減溫器的結(jié)構(gòu)形式，列舉了近年來該結(jié)構(gòu)形式的減溫器發(fā)生噴管斷裂的多個(gè)案例，對(duì)其缺陷特點(diǎn)進(jìn)行了說明，并從設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行等方面分析了該問題產(chǎn)生的原因，提出了改進(jìn)措施，這些措施已應(yīng)用在了不同的電廠。結(jié)果表明，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的減溫器成功的解決了噴管斷裂的問題，運(yùn)行效果良好。

減溫器 噴管 斷裂 對(duì)策

減溫器是電站鍋爐用來調(diào)節(jié)主蒸汽溫度及鍋爐左、右側(cè)蒸汽汽溫偏差的承壓部件。近年來，在超臨界電站鍋爐的定期檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)多家運(yùn)行時(shí)間不超3萬h電站鍋爐存在噴水減溫器噴管斷裂的問題。噴管斷裂會(huì)引起減溫器筒體的開裂或泄漏事故，威脅到電廠設(shè)備和人員安全，因此應(yīng)引起足夠的重視。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在噴水減溫器中，噴管斷裂的問題數(shù)量較大，具有普遍性。部分電廠采用更換噴管的方案對(duì)損壞的減溫器進(jìn)行了修理，運(yùn)行一段時(shí)間后對(duì)減溫器復(fù)檢，發(fā)現(xiàn)新更換的噴管很快也出現(xiàn)類似的問題[1]。因此，分析產(chǎn)生減溫器噴管斷裂和焊縫裂開的原因并提出改進(jìn)措施就顯得勢在必行。

1 噴水減溫器結(jié)構(gòu)介紹

鍋爐蒸汽減溫器的結(jié)構(gòu)形式有多種型式。本文僅介紹在超臨界電站鍋爐中，經(jīng)常發(fā)生缺陷的噴水減溫器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)，噴水減溫器用于超臨界鍋爐的一、二級(jí)過熱器減溫器。減溫器噴管一端與減溫水管座焊接在一起，另一端為自由懸空。一、二級(jí)過熱器筒體材質(zhì)分別為SA-335P12、SA-335P91，噴管材質(zhì)均為SA-335P12。

圖1 噴管懸臂支撐式減溫器

過熱器一級(jí)減溫器位于低溫過熱器出口集箱與屏式過熱器進(jìn)口集箱的連接管上，過熱器二級(jí)減溫器位于屏式過熱器與高溫過熱器進(jìn)口集箱的連接管上。減溫器噴管上背向氣流側(cè)均布多排小孔，自小孔噴出減溫水迅速霧化，與減溫器套筒內(nèi)的高溫蒸汽進(jìn)行充分混合，達(dá)到降低汽溫的目的，減溫幅度通過調(diào)節(jié)噴水量進(jìn)行控制。一級(jí)減溫器是過熱蒸汽溫度的主要調(diào)節(jié)手段，二級(jí)減溫器可用來調(diào)節(jié)高溫過熱器溫度及鍋爐兩側(cè)蒸汽溫度的偏差，使過熱蒸汽出口溫度維持在設(shè)定值范圍內(nèi)。

2 減溫器缺陷情況及特點(diǎn)

通過對(duì)多家電廠不同結(jié)構(gòu)形式減溫器的檢驗(yàn)和比較，發(fā)現(xiàn)噴管斷裂或焊縫開裂的問題多發(fā)生在噴水減溫器中，且靠近噴管固定端。以下為噴水減溫器噴管損壞問題的典型案例。

1）2011年1月對(duì)某電廠超臨界電站鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)過熱器二級(jí)減溫器噴管根部開裂，實(shí)物圖如圖2所示。該減溫器筒體材質(zhì)SA-335P91，規(guī)格為φ495.3mm×70mm，鍋爐運(yùn)行約9500h。

圖2 過熱器二級(jí)減溫器噴管斷裂實(shí)物圖

2）2011年4月對(duì)運(yùn)行時(shí)間約10500h的某電廠超臨界電站鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該鍋爐左、右側(cè)過熱器一級(jí)減溫器噴管根部斷裂，爐右側(cè)過熱器二級(jí)減溫器噴管根部斷裂，噴管根部斷裂實(shí)物圖如圖3所示。一級(jí)減溫器套筒材質(zhì)為SA-335P12，規(guī)格為φ508mm×88mm，二級(jí)減溫器套筒材質(zhì)為SA-335P91，規(guī)格為φ508mm×78mm。

圖3 減溫器噴管根部斷裂圖

3）2012年5月，對(duì)某電廠運(yùn)行時(shí)間不足5000h超臨界電站鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋爐左、右側(cè)材質(zhì)為SA-335P91，規(guī)格為φ495.3mm×70mm的過熱器二級(jí)減溫器噴管根部斷裂，且鍋爐左側(cè)過熱器二級(jí)減溫器噴管套管固定焊縫開裂，噴管限位塊磨損。

3 原因分析

3.1 存在設(shè)計(jì)缺陷

由于沒有對(duì)噴管的懸空端進(jìn)行限位，噴水減溫器受力模型為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在力的作用下，懸臂梁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩。在鍋爐運(yùn)行中，懸臂梁結(jié)構(gòu)的噴管受高壓蒸汽沖擊后懸空端向蒸汽流動(dòng)方向偏移，并且偏移量較大，作用于減溫器噴管固定端。懸空端偏移量越大，對(duì)噴管根部的作用力越大，而減溫器在高溫高壓環(huán)境下工作，能夠使噴管懸空端發(fā)生較大偏移[2]。同時(shí)減溫水的投用，又使噴管受到反向力的作用，這樣就有交替變化的破壞力作用于噴管根部，使噴管容易從根部開裂以致斷裂。目前減溫器噴管的材質(zhì)，多采用12Cr1MoVG，相對(duì)于SA-335P91材料而言，強(qiáng)度較低。另外噴管根部與管座連接的的加工角度是垂直的，隨著交變應(yīng)力的作用，易在根部表面產(chǎn)生裂紋。

3.2 存在制造缺陷

按照減溫器設(shè)計(jì)，在減溫水管座的內(nèi)壁焊接一段內(nèi)套管，并在噴管表面沿蒸汽流向和蒸汽流向的垂直方向?qū)ΨQ焊接四個(gè)限位塊與套管緊密配合，對(duì)噴管套筒進(jìn)行限位，達(dá)到減小噴管在運(yùn)行狀態(tài)下擺動(dòng)的目的。在鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，噴管套筒的這些限位塊與套管的配合間隙普遍較大，在減溫器運(yùn)行中不能有效減小噴管懸空端擺動(dòng)。況且限位塊面積較小，與套管的接觸面小，噴管的震蕩對(duì)限位塊產(chǎn)生碰磨，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，限位塊磨損也會(huì)加大，這樣增大了限位塊與套管的配合間隙。

3.3 運(yùn)行環(huán)境惡劣

減溫器投入運(yùn)行后，隨著高溫高壓蒸汽的沖擊、蒸汽壓力的變化、減溫水的投退以及減溫水壓力的變化，噴管懸空端處于向蒸汽流動(dòng)方向偏移并不斷震蕩的狀態(tài)，噴管固定端承受著巨大的剪切應(yīng)力作用。因運(yùn)行環(huán)境惡劣，應(yīng)力集中較大的根部易開裂直至斷裂，部分減溫器甚至在很短的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)即產(chǎn)生缺陷。此外，處于高溫蒸汽和低溫減溫水介質(zhì)中的噴管，在運(yùn)行中產(chǎn)生溫差應(yīng)力，也加速其破壞過程的進(jìn)行。

4 減溫器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

鑒于懸臂式噴水減溫器在多個(gè)電廠出現(xiàn)相同的缺陷問題，筆者認(rèn)為在惡劣工況下減溫器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式存在不足是造成噴管斷裂問題的主要原因，對(duì)此向電廠提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議。電廠委托鍋爐制造廠家對(duì)減溫器結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，鍋爐廠通過多次試驗(yàn)分析，仿真設(shè)計(jì)，決定對(duì)噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將原來的懸臂梁結(jié)構(gòu)改為兩端支撐的簡支梁結(jié)構(gòu)，以避免懸臂梁結(jié)構(gòu)存在較大剪切應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的巨大破壞作用[3]。新改進(jìn)的減溫器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 噴管簡支梁支撐式減溫器

5 結(jié)束語

減溫器噴管斷裂是近些年來鍋爐運(yùn)行過程中經(jīng)常發(fā)生的缺陷。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的減溫器，經(jīng)過近兩年的運(yùn)行后進(jìn)行復(fù)檢，未再發(fā)現(xiàn)減溫器噴管斷裂的問題。由此可見，在設(shè)計(jì)方面未能對(duì)減溫器噴管懸空端的振蕩偏移量進(jìn)行有效控制是產(chǎn)生該缺陷的根源，同時(shí)制造工藝配合公差過大、質(zhì)量控制不嚴(yán)也為該缺陷的產(chǎn)生起到了促進(jìn)作用。從源頭上進(jìn)行有效的改進(jìn)和控制，是消除事故隱患，保證減溫器安全運(yùn)行的長效方法，也是避免電廠對(duì)此類缺陷反復(fù)檢修造成經(jīng)濟(jì)損失的根本途徑。

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Analysis and Improvement Measures of Nozzle Fracture of Desuperheaters Used in Supercritical Power Plant Boilers

Li Pengxin1Da Yaodong1Dong Benwan2
(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2.Jiaozuo Boiler & Pressure Vessel Supervision and Inspection Institute Jiaozuo 454000)

This article described the formal structure of nozzle cantilevered desuperheater often used in supercritical power plant boilers, and listed several cases of nozzle in fracture occurred in desuperheaters of the structure in recent years, whose defect features were described in this paper. Reasons of the problem were analyzed in terms of design, manufacture and operation, and improvement measures were proposed, which had been adopted by different plants. The results showed that desuperheaters with the improved structure successfully solved the problem of nozzle fracture and ran well.

Desuperheater Nozzle Fracture Improvement measures

X928.3

B

1673－257X(2014)11－70－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.020

李鵬新(1972～),男,高級(jí)工程師,從事電站鍋爐檢驗(yàn)檢測與研究工作。

2014-07-23）