汽動(dòng)給水泵中間抽頭管故障分析及改造優(yōu)化

胡高斌，鐘治琨，汪 濤，周 飛，彭 浩

（江蘇國(guó)信靖江發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 214500）

某公司于2015年正式投產(chǎn)兩臺(tái)660 MW超臨界機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配備兩臺(tái)由沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司制造的MDG366型汽動(dòng)給水泵。此類型抽芯包式給水泵中間抽頭管與泵蓋無(wú)法焊接固定、為公差間隙配合，若裝配不當(dāng)，更易導(dǎo)致中間抽頭管在運(yùn)行中斷裂，為機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行留下了隱患；#1、#2機(jī)組汽動(dòng)給水泵均在檢修中發(fā)現(xiàn)了中間抽頭管損壞或斷裂的情況。2016~2018年期間陸續(xù)發(fā)生#1、#2機(jī)組汽動(dòng)給水泵中間抽頭管均出現(xiàn)損壞甚至斷裂的情況。

第二級(jí)葉輪出口通過(guò)中間抽頭管引出作為再熱器減溫水，該減溫水對(duì)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性影響很大，一般再熱器噴水流量每增加鍋爐額定負(fù)荷的1%，機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性降低約0.2%。中間抽頭管斷裂后會(huì)導(dǎo)致汽動(dòng)給水泵RB、機(jī)組甩負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組跳閘；且會(huì)導(dǎo)致次生災(zāi)害發(fā)生，如平衡管斷裂、密封腔室泄漏等事故，嚴(yán)重影響人身及設(shè)備安全。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及故障情況簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

該類型汽動(dòng)給水泵共6級(jí)，其中第二級(jí)葉輪出口通過(guò)中間抽頭管引出作為再熱器減溫水，在給水泵的驅(qū)動(dòng)端側(cè)；由于此種類型給水泵采用芯包式，轉(zhuǎn)動(dòng)部件均在芯包內(nèi)，其檢修方便；但也因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)，作為引出減溫水的中間抽頭管無(wú)法采用焊接固定，和驅(qū)動(dòng)端泵蓋只能通過(guò)間隙配合，配合部位采用密封組件防止泄露。

1.2 改造前現(xiàn)場(chǎng)情況

（1）#1機(jī)組B汽動(dòng)給水泵中間抽頭斷裂情況。2016年9月5日，#1機(jī)組運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)#1B汽動(dòng)給水泵平衡管靠近驅(qū)動(dòng)端位置的彎頭焊縫漏氣，緊急停泵檢查處理。解體后發(fā)現(xiàn)#1B汽動(dòng)給水泵一側(cè)中間抽頭管已完全斷裂。

（2）#2機(jī)組A汽動(dòng)給水泵中間抽頭損壞情況。2018年9月16日，#2機(jī)組C修時(shí)抽查發(fā)現(xiàn)#2A汽動(dòng)給水泵中間抽頭管變徑處損壞嚴(yán)重，幾近斷裂。

由于中間抽頭管是焊接在給水泵芯包上的，若想快速消除中間抽頭故障，只能進(jìn)行整體抽芯包更換，而芯包為日本三菱進(jìn)口，整套備件價(jià)格約150萬(wàn)元，價(jià)格昂貴；若給水泵芯包（含中間抽頭管）進(jìn)行返廠修復(fù)，整個(gè)檢修周期約1個(gè)月，檢修工期較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了機(jī)組的正常啟動(dòng)和運(yùn)行。

綜上，為克服MDG366型汽動(dòng)給水泵中間抽頭管易斷裂、斷裂后易導(dǎo)致次生事故、備件價(jià)格昂貴、修復(fù)周期長(zhǎng)等不利因素，決定對(duì)中間抽頭管及配合部件進(jìn)行整體優(yōu)化改造。

2 中間抽頭管斷裂故障分析

2.1 材質(zhì)檢測(cè)

（1）光譜分析。經(jīng)對(duì)斷裂抽頭管、未斷裂抽頭管及其與芯包殼體連接角焊縫進(jìn)行光譜分析，確認(rèn)抽頭管材質(zhì)均為18-8系列不銹鋼，推斷為SUS304，與最初提供的材料牌號(hào)SUS403Q不符 。

（2）硬度檢測(cè)。經(jīng)對(duì)斷裂抽頭管、未斷裂抽頭管及芯包殼體進(jìn)行便攜式里氏硬度檢測(cè)，除新備品上一只抽頭管的Cr、Ni含量略低于標(biāo)準(zhǔn)外，確認(rèn)抽頭管材質(zhì)均為18-8系列不銹鋼，推斷為SUS304，與最初提供的材料牌號(hào)SUS403Q不符。

由于抽頭管和芯包殼體是異種鋼焊接，抽頭管是奧氏體不銹鋼材質(zhì)，芯包體是馬氏體鑄鋼件，而異種鋼的焊接易產(chǎn)生焊瘤、密集氣孔、未熔合、咬邊等焊接缺陷，最終導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)失效。

2.2 焊接形式

通過(guò)中間抽頭管斷口不難發(fā)現(xiàn)該抽頭管與芯包殼體的連接角焊縫未開(kāi)任何坡口，為非全焊透結(jié)構(gòu)的角接接頭形式。管子壁厚約11 mm，焊腳高度卻僅為6.5 mm左右，即焊縫強(qiáng)度裕量不足和存在應(yīng)力集中導(dǎo)致該處焊縫容易產(chǎn)生開(kāi)裂。其次，在焊縫接頭處，抽頭管有一小段插入管孔，導(dǎo)致管內(nèi)流道不平滑、存在一個(gè)3 mm左右高的臺(tái)階環(huán)對(duì)高速水流產(chǎn)生阻力，由于抽頭管根部原焊縫為角焊縫，該推力會(huì)產(chǎn)生較大的力矩，易導(dǎo)致焊縫裂紋的出現(xiàn)。

綜上，抽頭管與芯包殼體材料差異以及焊接結(jié)構(gòu)不合理是該處焊縫易自焊縫根部起裂，并逐漸向外擴(kuò)展的原因，這也是改造實(shí)施中需要解決的不利因素。

3 改造優(yōu)化實(shí)施方案

3.1 優(yōu)化抽頭管材質(zhì)選取與制造工藝

對(duì)抽頭管各部位的內(nèi)外徑、抽頭管焊縫焊腳高度、芯包殼體上的孔內(nèi)徑、孔深等尺寸進(jìn)行測(cè)量，還原了抽頭管與芯包殼體連接接頭形式和各部分尺寸。采用與說(shuō)明書要求一致的材料牌號(hào)為SUS403Q的馬氏體不銹鋼重新加工新的中間抽頭管，SUS403不銹鋼是日本JIS標(biāo)準(zhǔn)中的一種耐熱鋼類型馬氏體不銹鋼，基本組成成分13Cr-低Si，在一定溫度下能承受高應(yīng)力，在淡水及蒸汽條件下耐腐蝕，是可用于汽輪機(jī)葉片及高應(yīng)力部件的優(yōu)良不銹鋼耐熱鋼。為提高抽頭套管材料的內(nèi)在質(zhì)量，采用鍛造材料掏孔的方式，確保材料無(wú)缺陷；抽頭管尺寸與原抽頭管一致以保證裝配間隙。

3.2 研發(fā)應(yīng)用焊接工裝和壓板工具

由于抽頭管和泵蓋的公差間隙配合是導(dǎo)致中間抽頭管易斷裂的根本原因，故為減小抽頭管焊接時(shí)的中心偏差，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出一種抽頭管焊接工裝（如圖1），先把壓板下半部分裝至芯包并固定，然后把抽頭管焊接工裝裝入，最后把壓板上半部分裝好并擰緊壓板螺栓進(jìn)行固定，讓工裝的平面緊靠芯包。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，不采用焊接工裝抽頭管的中心誤差可達(dá)到2 mm左右，而采用焊接工裝進(jìn)行焊接后抽頭管的中心誤差不超過(guò)0.5 mm。

圖1 中間抽頭管焊接工裝和壓板圖

3.3 采用新型的焊縫結(jié)構(gòu)和焊接工藝

由上文原因分析可知，汽動(dòng)給水泵中間抽頭管易破損和斷裂，一個(gè)主要原因在于抽頭管與芯包殼體的連接角焊縫未開(kāi)任何坡口，為非全焊透結(jié)構(gòu)的角接頭形式，即焊縫強(qiáng)度裕量不足加上存在應(yīng)力集中導(dǎo)致焊縫容易產(chǎn)生開(kāi)裂。針對(duì)這種情況，研究并設(shè)計(jì)出一種中間抽頭管新型焊縫結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化焊接工藝，以保證新的焊接結(jié)構(gòu)和工藝下焊縫的強(qiáng)度。

如圖2，為避免單V型角焊縫容易產(chǎn)生尖點(diǎn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，將套管的焊接位置加工成圓弧，最終形成單U型焊縫，焊接質(zhì)量更好，不易形成應(yīng)力集中。套管和基體之間的徑向間隙盡量縮小以保證焊接后的位置，盡量縮小焊接完成后套管和基體間的軸向間隙（由3 mm縮小為1.5 mm），以減少軸向高壓水流的作用力。

圖2 中間抽頭管新型焊接結(jié)構(gòu)示意圖

焊接選用熔覆性能和強(qiáng)度、塑性、韌性更好的鎳基焊條，焊接前預(yù)熱工件至100~150 ℃，烘干加熱焊條至350 ℃；焊接時(shí)減小電流，控制層間溫度控制在150℃，均勻焊接以減少工件的變形，保證工件的焊接質(zhì)量。

3.4 建立抽頭管故障預(yù)警分析模型

由于本公司汽動(dòng)給水泵多次發(fā)生中間抽頭管損壞或斷裂的情況，導(dǎo)致給水泵組RB甚至機(jī)組甩負(fù)荷，嚴(yán)重威脅人身及設(shè)備安全和機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，所以需要一個(gè)數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行輔助判斷，以期及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障苗頭并加以干預(yù)，減少設(shè)備損失和次生災(zāi)害。故技術(shù)團(tuán)隊(duì)抓住中間抽頭管故障和給水流量前后變化的一致性這一關(guān)鍵因素，研究建立了汽動(dòng)給水泵中間抽頭管故障分析模型，通過(guò)模型可以更直觀準(zhǔn)確地對(duì)汽動(dòng)給水泵中間抽頭管故障進(jìn)行輔助分析，可以在設(shè)備故障的初始階段及時(shí)發(fā)出預(yù)警，從而設(shè)備管理人員可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行提前針對(duì)性檢修，避免故障擴(kuò)大和設(shè)備進(jìn)一步損壞。

抽頭管預(yù)測(cè)模型基于origin和matlab等軟件，使用origin進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合建模，把模型數(shù)據(jù)通過(guò)編程寫入至matlab中，最后取計(jì)算值和實(shí)際值的方差并設(shè)置報(bào)警值，最后通過(guò)matlab作圖輸出預(yù)測(cè)結(jié)果。

若一段時(shí)間內(nèi)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的方差頻繁超過(guò)紅色警戒線，說(shuō)明設(shè)備很有可能已經(jīng)出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象但未擴(kuò)大，需要及時(shí)停運(yùn)檢查，這可以幫助設(shè)備管理維護(hù)人員在設(shè)備故障的初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，及時(shí)停運(yùn)檢修從而避免設(shè)備損壞擴(kuò)大或造成次生災(zāi)害，起到預(yù)測(cè)和輔助判斷的作用，圖3即這種故障情況下模型的預(yù)測(cè)輸出圖像。

圖3 中間抽頭管故障分析模型流程示意圖

圖3取自2018年8月15日至9月10日共26天內(nèi)#2A汽動(dòng)給水泵運(yùn)行時(shí)（即前文中#2機(jī)組A汽泵中間抽頭管損壞前）數(shù)據(jù)，由輸出結(jié)果圖像可知，從第9月7日開(kāi)始（圖3中紅色矩形部分），預(yù)測(cè)結(jié)果已接近報(bào)警值，在報(bào)警線上下晃動(dòng)，說(shuō)明這階段中間抽頭已損壞、泄漏量已接近報(bào)警值；至9月8日開(kāi)始至停機(jī)檢修（9月11日），預(yù)測(cè)結(jié)果已經(jīng)均超過(guò)報(bào)警值，說(shuō)明在高壓給水的作用下，抽頭管泄漏增大，急需停泵檢修，最后檢查結(jié)果也是與模型預(yù)測(cè)圖像結(jié)果一致：抽頭管出現(xiàn)損壞、幾近斷裂，從側(cè)面佐證了預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

4 成果驗(yàn)證及應(yīng)用價(jià)值

4.1 改造實(shí)施后成果驗(yàn)證情況

改造實(shí)施后汽動(dòng)給水泵運(yùn)行良好，泵的出力等參數(shù)與修前基本一致，滿足運(yùn)行需要。其中#2A汽動(dòng)給水泵中間抽頭管于2018年9月實(shí)施改造，穩(wěn)定運(yùn)行2年7個(gè)月后，于2021年5月份進(jìn)行復(fù)查，檢查發(fā)現(xiàn)中間抽頭管無(wú)損壞或異常現(xiàn)象；#1機(jī)組A、B汽動(dòng)給水泵中間抽頭管于2019年11月實(shí)施改造，穩(wěn)定運(yùn)行2年后，于2021年11月份進(jìn)行復(fù)查，檢查發(fā)現(xiàn)中間抽頭管無(wú)損壞或異常現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，#1、#2機(jī)組3臺(tái)汽動(dòng)給水泵中間抽頭管改造后均運(yùn)行兩年以上，復(fù)查時(shí)均未發(fā)現(xiàn)異常，汽動(dòng)給水泵中間抽頭管易斷裂的重大安全隱患已消除。

4.2 成果應(yīng)用價(jià)值

通過(guò)上文運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)和歷次對(duì)汽動(dòng)給水泵中間抽頭的檢查結(jié)果可以看出，操作法實(shí)施后，不僅解決了中間抽頭管易斷裂的重大安全隱患，保證了人身和設(shè)備安全，為機(jī)組安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行打下基礎(chǔ)，且改造后的性能完全滿足運(yùn)行要求，檢修成本顯著降低。

正常運(yùn)行時(shí)設(shè)備管理人員還可通過(guò)抽頭管故障分析模型對(duì)運(yùn)行的汽動(dòng)給水泵進(jìn)行輔助監(jiān)視，隨時(shí)可以判斷汽動(dòng)給水泵中間抽頭的情況，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)汽動(dòng)給水泵的動(dòng)態(tài)監(jiān)視和狀態(tài)檢修。

經(jīng)過(guò)3年多的跟蹤、記錄、分析，認(rèn)為實(shí)施后在各種工況下的運(yùn)行參數(shù)符合汽動(dòng)給水泵的設(shè)計(jì)要求，給水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組在經(jīng)濟(jì)效益和安全效益上得到了很大的提升，且在行業(yè)內(nèi)具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。