600MW機(jī)組熱一次風(fēng)道補(bǔ)償器開裂原因分析及處理

王 晨，岳樹祥

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206;2.神華河北國華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 滄州 061110;3.河北省電力建設(shè)第一工程公司，石家莊 050031)

神華河北國華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司(簡稱“滄東電廠”)1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組為600 MW 火電機(jī)組，鍋爐為SG2028/17.5-M909 型亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、Π 型布置、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、全封閉、固態(tài)排渣、強(qiáng)制循環(huán)汽包型燃煤鍋爐，燃料為神府東勝煤。鍋爐配備6 臺(tái)各55%容量的送、引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)。6 臺(tái)磨煤機(jī)設(shè)計(jì)為5 臺(tái)可帶額定負(fù)荷運(yùn)行，另外1 臺(tái)備用。在額定工況下，過熱器出口溫度為540 ℃，再熱器的進(jìn)/出口溫度為323 ℃/540℃。配備2 臺(tái)三分倉容克式空氣預(yù)熱器，一、二次風(fēng)間隔布置，一次風(fēng)分倉為50°，轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，立式布置，空氣預(yù)熱器一次風(fēng)出口溫度BMCR 工況為309 ℃，運(yùn)行中風(fēng)壓約為9 kPa。

1 故障情況

為補(bǔ)償空氣預(yù)熱器及出口熱一次風(fēng)道在運(yùn)行中產(chǎn)生的三向位移，在空氣預(yù)熱器一次風(fēng)出口風(fēng)道上裝有2 只非金屬補(bǔ)償器。非金屬補(bǔ)償器壽命取決于使用的介質(zhì)及工況條件，特別是在高溫高壓條件下，強(qiáng)度低、易老化缺點(diǎn)尤其突出。滄東電廠1 號(hào)、2 號(hào)鍋爐空氣預(yù)熱器熱一次風(fēng)出口軟連接多次出現(xiàn)破裂泄漏。空氣預(yù)熱器熱一次風(fēng)出口非金屬補(bǔ)償器一旦出現(xiàn)泄漏，由于泄漏的熱風(fēng)壓力較大、溫度較高，會(huì)很快導(dǎo)致周圍表面蒙皮失效出現(xiàn)裂紋(蒙皮內(nèi)部有玻璃布包裹硅酸鋁保溫棉，外套不銹鋼絲網(wǎng)作為隔熱層，蒙皮表面溫度一般小于50 ℃)，裂紋迅速循環(huán)擴(kuò)大，輕則解列一次風(fēng)機(jī)，降負(fù)荷處理，重則必須停機(jī)處理，損失較大。泄漏的熱風(fēng)還會(huì)損壞周圍電纜、空氣預(yù)熱器軸承等其他設(shè)備，存在消防隱患，對設(shè)備安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2 原因分析

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組熱一次風(fēng)道熱態(tài)時(shí)非金屬補(bǔ)償器曾開裂，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)剛性吊架吊桿存在不同程度的松弛(即支吊架失載)，如圖1、圖2所示。

圖1 非金屬補(bǔ)償器開裂示意

圖2 1、2 號(hào)機(jī)組熱一次風(fēng)道支吊架及補(bǔ)償器布置

經(jīng)分析認(rèn)為，AD 段風(fēng)道在熱態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)生軸向熱膨脹，由于1a 號(hào)支吊架為固定支架，風(fēng)道在D 處垂直方向的膨脹量為0，則CD 段熱態(tài)時(shí)向上熱膨脹;對于風(fēng)道AB 段而言，由于1 號(hào)支吊架為剛性吊架，風(fēng)道在A 處垂直方向的膨脹量為0，則風(fēng)道AB段熱態(tài)時(shí)向下熱膨脹。原設(shè)計(jì)的1 號(hào)非金屬補(bǔ)償器主要是用來吸收風(fēng)道AB 段及CD 段的熱膨脹，并要求風(fēng)道AB 段及CD 段的熱膨脹量之和在原設(shè)計(jì)補(bǔ)償器的吸收范圍之內(nèi)，但現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該處補(bǔ)償器實(shí)際吸收的變形量小于風(fēng)道AB 段及CD 段的熱膨脹量之和，且熱態(tài)時(shí)補(bǔ)償器外表面很硬，即補(bǔ)償器未能將風(fēng)道AB 段及CD 段的熱膨脹量全部吸收，則未被吸收的熱膨脹將風(fēng)道AB 段向上“頂起”，導(dǎo)致1號(hào)、2 號(hào)支吊架失載，1 號(hào)、2 號(hào)支吊架的載荷又傳遞至1 號(hào)補(bǔ)償器上，最終導(dǎo)致1 號(hào)補(bǔ)償器撕裂。同理，2 號(hào)補(bǔ)償器未能完全吸收風(fēng)道EF 段及GH 段的熱膨脹之和時(shí)，則3 號(hào)、4 號(hào)支吊架失載，3 號(hào)、4 號(hào)支吊架的載荷又傳遞至2 號(hào)補(bǔ)償器上，最終導(dǎo)致2 號(hào)補(bǔ)償器撕裂。因此，熱一次風(fēng)道補(bǔ)償器撕裂及剛性支吊架失載的根本原因是1 號(hào)、2 號(hào)補(bǔ)償器性能不佳，未能完全吸收風(fēng)道的熱膨脹所造成的。

熱一次風(fēng)設(shè)計(jì)壓力為12.49 kPa，設(shè)計(jì)溫度為305℃，1 號(hào)補(bǔ)償器規(guī)格為2 790 mm×4 238 mm，2 號(hào)補(bǔ)償器的規(guī)格為2 400 mm×2 000 mm。為了分析補(bǔ)償器及支吊架異常的原因，以DH 段管道為對象進(jìn)行受力分析，這段管道受到的外力有以下4 個(gè)。

a.由于內(nèi)壓作用產(chǎn)生的推力方向向上，大小由F=P×A 確定［1］，其中，A 為波紋管有效面積，P 為管系壓力。當(dāng)機(jī)組停運(yùn)時(shí)P=0，推力F=0;當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)F=(2.79 m×4.238 m+2.4 m×2 m)×12.49 kPa=207.63 kN。

b.風(fēng)道自身重力，方向向下，DH 段的總重量為14 446 kg。

c.支吊架載荷。

d.2 個(gè)非金屬補(bǔ)償器對管道的約束力。

根據(jù)平衡原理，在垂直方向上風(fēng)管所受合力為0。機(jī)組停運(yùn)時(shí)，非金屬補(bǔ)償器處于松弛狀態(tài)，不提供約束力，1—4 號(hào)支吊架總載荷等于此段風(fēng)道的自重。機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，由于向上的推力比向下的風(fēng)道重力大63 kN，但剛性吊架只能提供向上的力，所以管道被向上推起，這63 kN 向下的力就只能由處于拉伸狀態(tài)的補(bǔ)償器來提供。驗(yàn)證了為什么機(jī)組運(yùn)行時(shí)非金屬補(bǔ)償器沒有按設(shè)計(jì)發(fā)生壓縮而是拉伸。

非金屬補(bǔ)償器主要由蒙皮、不銹鋼絲網(wǎng)、隔熱棉、隔熱填料層、機(jī)架、擋板等6 個(gè)部分組成，典型結(jié)構(gòu)見圖3。非金屬補(bǔ)償器的蒙皮由聚四氟乙稀、氟橡膠布、玻璃纖維布等材料制成，柔性很大，這類材料長期在拉伸力的作用下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。另外，當(dāng)非金屬補(bǔ)償器處于拉伸狀態(tài)時(shí)，填在蒙皮與擋板之間的保溫棉會(huì)產(chǎn)生縫隙，保溫效果下降，風(fēng)道內(nèi)的熱風(fēng)很容易加速蒙皮內(nèi)橡膠材料的老化，使蒙皮產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而開裂失效［2］。

圖3 非金屬補(bǔ)償器典型結(jié)構(gòu)

3 處理措施

綜上所述，為了解決1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組空氣預(yù)熱器出口熱一次風(fēng)道非金屬補(bǔ)償器的開裂問題，可將非金屬補(bǔ)償器改為可承受壓力推力的三維矩形金屬補(bǔ)償器。目前國內(nèi)外在溫度、壓力較高或有耐腐蝕要求的火電廠、水泥廠、鋼廠、熱網(wǎng)等煙風(fēng)塵管道惡劣的環(huán)境下，使用金屬補(bǔ)償器。金屬補(bǔ)償器(矩形)不受其長、短邊固有尺寸的影響，承壓效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于非金屬補(bǔ)償器，抗老化、耐腐蝕性能及疲勞使用壽命大于非金屬補(bǔ)償器。綜合考慮，將1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組熱一次風(fēng)管道的非金屬補(bǔ)償器更換為金屬補(bǔ)償器。通過準(zhǔn)確的計(jì)算和選型，選用三維矩形金屬補(bǔ)償器，其既能滿足三向位移膨脹，又能保障在高溫高壓下的使用壽命和強(qiáng)度。

1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組熱一次風(fēng)道1 號(hào)、2 號(hào)補(bǔ)償器吸收的變形量如表1所示，選擇補(bǔ)償器時(shí)，3 個(gè)方向的變形量均應(yīng)在表1數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上乘以1.2 倍。

表1 1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組熱一次風(fēng)道非金屬補(bǔ)償器變形量

4 處理效果

在1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組C 級(jí)檢修中完成了熱一次風(fēng)道金屬補(bǔ)償器的更換，至今運(yùn)行良好，徹底消除了空氣預(yù)熱器熱一次風(fēng)出口風(fēng)道一直存在的剛性吊架嚴(yán)重失載缺陷。新補(bǔ)償器在運(yùn)行中完全吸收空氣預(yù)熱器及風(fēng)道疊加后的復(fù)合三向位移，避免了原補(bǔ)償器存在的易老化、撕裂、破損等隱患。新補(bǔ)償器采用316L 材質(zhì)，有效的抵御室外鹽霧腐蝕，大大延長使用壽命，同時(shí)避免了空氣預(yù)熱器的額外二次用力，保證了設(shè)備安全運(yùn)行。

5 結(jié)束語

非金屬補(bǔ)償器雖然補(bǔ)償效果好，但在高溫、高壓、存在腐蝕介質(zhì)工況下使用效果不佳，承壓效果差、易破損開裂、易老化，容易造成漏風(fēng)等現(xiàn)象，且在安裝時(shí)易劃傷蒙皮留下隱患，其適用于低溫或低壓條件。此次將原非金屬補(bǔ)償器更換為金屬補(bǔ)償器為鍋爐熱一次風(fēng)道補(bǔ)償器改造積累了經(jīng)驗(yàn)，給技術(shù)人員提供了參考。

［1］查爾斯·貝赫特Ⅳ.工藝管道ASME B31.3 實(shí)用指南［M］.2版.陳登豐，秦叔經(jīng)譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］ASTM F 1123－1987(2010)，Standard Specification for Non-Metallic Expansion Joints［S］.