發(fā)電廠旋渦文丘里式噴水減溫器損壞技經(jīng)分析及對策

袁建飛

(秦皇島發(fā)電有限責任公司)

0 引言

某火力發(fā)電廠2 號鍋爐型號為BW—670/13.7—M, 該型鍋爐是引進美國B&W 公司技術(shù)的產(chǎn)品, 鍋爐為超高壓參數(shù), 中間再熱, 自然循環(huán)爐型。

該型鍋爐采用兩級噴水減溫器來調(diào)節(jié)過熱汽溫,一、二級左右側(cè)噴水減溫器均為旋渦文丘里式噴水減溫器, 其主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該型減溫器減溫水霧化質(zhì)量好, 減溫幅度大, 可用于減溫水量變化頻繁的工作條件, 缺點是旋渦噴嘴為懸臂式結(jié)構(gòu), 容易產(chǎn)生振動而發(fā)生斷裂。

1 設備損壞情況

2 號機組A 級檢修中, 在開展金屬技術(shù)監(jiān)督項目過程中發(fā)現(xiàn)左、右側(cè)二減噴嘴入口與噴嘴進水管處焊口斷裂, 進一步檢查發(fā)現(xiàn)管座、聯(lián)箱筒體、文丘里內(nèi)襯套等部位存在宏觀裂紋; 左、右側(cè)二級減溫器套管與管座焊接部位開焊且套管與鋼碗接合面之間過盈配合已經(jīng)消失; 左側(cè)文丘里混合管喉部斷裂且減溫器外部懸吊裝置銷子脫出; 左、右側(cè)噴嘴入口裝置內(nèi)部半圓倒角處有兩條環(huán)向裂紋。以上所發(fā)現(xiàn)問題的具體位置在二級減溫器結(jié)構(gòu)圖標示如圖2 所示(粗箭頭所示為焊口斷裂部位, 紅色細箭頭所示為發(fā)現(xiàn)裂紋部位,藍色為過盈配合消失部位)。[1]

圖3 斷口表面呈現(xiàn)細瓷狀

2 噴嘴裝置進水管焊口斷裂原因分析

從二級減溫器各部位損壞的情況來看, 減溫器各部位產(chǎn)生裂紋乃至斷裂現(xiàn)象的原因應為噴嘴裝置進水管口焊口斷裂后, 大量減溫水直接從噴嘴入口噴濺到管座上, 并順套管、套管與管壁之間的焊縫開裂處流到筒體、文丘里套管部位, 部件在溫差交變應力作用下產(chǎn)生熱疲勞裂紋。鑒于以上檢查中所發(fā)現(xiàn)的問題原因分析已比較清楚, 且專業(yè)上能形成共識, 因此下面重點就噴嘴裝置進水管焊口斷裂的原因進行深入分析。

2.1 可能導致噴嘴裝置進水管焊口斷裂的原因有以下幾方面

2.1.1 溫差交變應力

在機組運行過程中, 由于通過二級減溫器筒體(聯(lián)箱) 的蒸汽溫度較高, 進水管的管壁溫度接近減溫水的溫度, 這樣, 進水管在溫差交變應力的作用下, 其焊口處易產(chǎn)生裂紋最終導致其斷裂。

該原因, 即溫差交變應力疲勞, 也同時發(fā)生在一級減溫器及再熱減溫器上, 但經(jīng)檢查這兩種類型4 套減溫器未發(fā)現(xiàn)噴嘴裝置損壞跡象; 同時二級減溫器噴嘴裝置有同管徑的兩道焊口, 這兩道焊口在運行中承受的熱交變應力是一樣的, 但上部焊口發(fā)生斷裂, 下部焊口完好無損。鑒于以上兩點, 分析認為熱交變應力疲勞對焊口斷裂有一定影響, 但應為造成焊口斷裂的非主要原因, 屬于輔助因素。

2.1.2 機械振動疲勞

經(jīng)過流體力學計算得知, 減溫器筒體內(nèi)汽流速度對噴管產(chǎn)生激振力, 同時流體經(jīng)過一個圓柱形障礙物時, 障礙物后產(chǎn)生卡門渦流, 其頻率f=0.22V/D(V為流體沖刷速度,D為圓柱體外徑)。對于#2 爐一、二級減溫器, 因其設計為懸臂式結(jié)構(gòu), 其噴嘴及進水管形狀近似于圓柱體, 必然存在這種卡門渦流。在這兩個因素中, 卡門漩渦的頻率對于整個受迫振動的頻率起到?jīng)Q定作用, 二者是約等于的關系。當受迫振動的頻率與噴嘴裝置本身固有的頻率相一致時, 整個噴嘴就會發(fā)生共振, 進而導致噴嘴斷裂損壞。機械振動疲勞破壞, 其斷口往往有明顯的疲勞紋, 裂紋由外表向內(nèi)發(fā)展, 斷口表面呈細瓷狀。

經(jīng)分析機械振動疲勞是導致二級減溫器噴嘴裝置進水管焊口斷裂的主要原因。[2]

首先, 宏觀檢查斷裂焊口表面呈現(xiàn)明顯的細瓷狀, 該點符合振動疲勞損壞的特征。

第二, 左右側(cè)二減噴嘴入口經(jīng)金屬專業(yè)檢查均發(fā)現(xiàn)內(nèi)部半圓倒角處有兩條環(huán)向裂紋說明噴嘴運行中發(fā)生了共振現(xiàn)象。該部位位于噴嘴入口進水管根部, 且從結(jié)構(gòu)上看為屬于懸臂結(jié)構(gòu)的噴嘴裝置運行中最大機械應力點, 該處材料為25Cr2MoVA, 該類鋼為低碳合金結(jié)構(gòu)鋼, 多用于軸套、螺栓類結(jié)構(gòu)件制作, 機械性能優(yōu)良, 該處發(fā)現(xiàn)裂紋, 說明該部位運行中受到了足以產(chǎn)生破壞的振動, 綜合第一點和第二點描述的兩現(xiàn)象, 分析認為運行中噴嘴裝置發(fā)生了共振現(xiàn)象。

第三, 二級減溫器噴嘴裝置進水管的結(jié)構(gòu)尺寸較一級減溫器更易發(fā)生共振

鑒于本次檢查中與二級減溫器結(jié)構(gòu)型式相同的一級減溫器未發(fā)現(xiàn)損壞跡象, 故在原因分析之前就一級減溫器與二級減溫器異同之處進行對比, 一、二級減溫器噴嘴裝置結(jié)構(gòu)型式一致, 且減溫水均來自高加前給水, 溫度(本段引用均為設計值) 均為160℃, 二者工作溫度有所不同(一減處415℃, 二減處434℃), 但僅相差19℃。從外形尺寸來看, 一級減溫器噴嘴裝置較為短粗, 二減較為細長, 且一減噴嘴裝置進水管壁厚大于二減。(一減噴嘴裝置進水管尺寸?89 ×12mm, 二減為?60 ×9mm; 一減噴嘴入口外圈至噴嘴中心線距離459mm, 二減為535mm)。

從外形尺寸來看, 一級減溫器噴嘴裝置較為短粗, 二減較為細長, 相對于一減, 二減噴嘴裝置的噴嘴總懸臂長度L 數(shù)值較高, 懸臂進水管環(huán)形斷面二次慣性矩I 數(shù)值較低, 綜合來看, 二減噴嘴裝置本身固有的頻率(自振頻率) 比一減低, 這樣運行中更容易發(fā)生卡門渦流的頻率(激振頻率) 與自振頻率一致而引發(fā)共振。

第四、套管與支撐鋼碗接合面之間過盈配合已經(jīng)消失, 無法實現(xiàn)噴嘴進水管運行中的彈性吸振(固定) 功能, 導致發(fā)生共振的可能性大大增加, 支撐鋼碗與套管的過盈配合消失的原因應與與制造、安裝及長期運行(20 年) 等因素有關。

第五、懸吊裝置銷子脫出為左側(cè)二減減溫器筒體運行中存在較大振動的旁證。

左側(cè)二減文丘里襯套斷裂(該襯套一段固定, 另一端活動), 同時減溫器外部懸吊裝置銷子脫出, 該現(xiàn)象不是孤立的, 應和振動有關(具體是噴嘴振動引發(fā)還是斷裂后的文丘里襯套振動暫無法確定)

2.2 原因分析結(jié)論

綜上所述, 做出如下分析和推斷, 即機械疲勞應力是導致噴嘴裝置進水管焊口斷裂的主要原因, 焊接缺陷或熱處理不規(guī)范為重要原因, 溫差交變應力為輔助因素。

#2 爐二級減溫器噴嘴裝置屬于懸臂結(jié)構(gòu), 因自身外形、規(guī)格、尺寸的原因, 導致其自振頻率相對較低, 尤其在支撐鋼碗與套管的過盈配合消失后無法保證在運行中過熱蒸汽汽流對噴嘴裝置的激振頻率與其自振頻率之比小于0.75 的安全裕度, 運行中某一負荷點當激振頻率與自振頻率達到一致時, 噴嘴裝置發(fā)生共振。發(fā)生共振后, 造成噴嘴裝置根部最大機械疲勞應力點產(chǎn)生環(huán)形裂紋, 并在最大應力點附近的且存在延遲裂紋的異種鋼焊口處產(chǎn)生了破壞, 造成焊口斷裂。焊口斷裂后, 低溫減溫水(160℃) 直接從噴嘴入口噴濺到高溫管座(434℃)上, 并順套管、套管與管壁之間的焊縫開裂處流到筒體、文丘里套管部位, 各部件在溫差交變應力作用下產(chǎn)生熱疲勞裂紋, 并造成了左側(cè)文丘里襯套斷裂。

2.3 噴嘴裝置進水管焊口斷裂可能引發(fā)的后果

減溫器噴嘴裝置進水管在運行過程中, 在溫差應力和機械振動的共同作用下, 使焊口發(fā)生斷裂。焊口發(fā)生斷裂后, 溫度較低的減溫水(160℃) 就會從泄漏處流到減溫器管座內(nèi)壁和減溫器文丘里襯套管及聯(lián)箱內(nèi)壁(434℃) 上, 一旦減溫水流到這些高溫部位, 就會使減溫器進水管管座和減溫器聯(lián)箱內(nèi)壁溫度急劇降低, 這樣減溫器管座內(nèi)壁和減溫器文丘里襯套管及聯(lián)箱內(nèi)壁在溫差應力的長期作用下, 便會產(chǎn)生裂紋(目前#2 爐左右側(cè)二級減溫器管座、文丘里襯套、噴嘴孔均已發(fā)現(xiàn)裂紋), 如不進行及時處理, 這些裂紋發(fā)展到一定程度有可能導致承壓部件爆破, 嚴重威脅人身和設備安全。[3]

3 對策措施

4.1 鑒于本次#2 爐左右側(cè)二級減溫器管座內(nèi)壁及文丘里襯套內(nèi)壁均已發(fā)現(xiàn)裂紋, 且左側(cè)減溫器文丘里襯套已經(jīng)斷裂, 因此建議下次檢修中更換左右側(cè)二級減溫器整套減溫器裝置, 以徹底消除該事故隱患。

4.2 新噴水減溫器制造、安裝過程中加強對噴嘴進水管支撐鋼碗與套管過盈配合情況的檢查確認, 確保支撐鋼碗的彈性吸振功能能夠正常發(fā)揮,在今后的減溫器檢查中也要對該配合情況進行重點檢查。

4.3 鍋爐制造廠選用25Cr2MoVA 這種機械性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)鋼制作噴嘴入口, 其設計初衷應該是考慮到噴嘴入口位于懸臂結(jié)構(gòu)根部, 為懸臂梁振動的最大應力點, 但選用該種材質(zhì)卻帶來了其自身可焊性及異種鋼焊接的問題, 為規(guī)避以上弊端, 如果依據(jù)振動校核的結(jié)果對減溫器設計進行改進后, 建議把減溫器噴嘴入口與進水管選擇同種材質(zhì)。

4.4 公司一期鍋爐投運已達20 年 (14 萬小時), 二期鍋爐達16 年(11 萬小時), 鑒于#2 爐減溫器檢查出的問題, 建議公司建立一、二期鍋爐噴水減溫器(尤其是過熱蒸汽二級減溫器) 事故備件儲備,以備不時之需。

4.5 鑒于#2 爐減溫器目前存在的隱患尚未完全消除, 建議在#2 機組運行期間, 應避免大幅度的調(diào)整減溫水量, 尤其應避免大開、大關或時開、時關的運行工況。

4.6 將本次#2 爐減溫器檢查出的問題納入公司事故隱患排查庫中, 掛牌督辦, 限期整改, 使該隱患的消除得到制度和流程上的保證。

4.7 繼續(xù)認真開展金屬監(jiān)督工作, 本次#2 爐減溫器發(fā)現(xiàn)的問題就是在金屬監(jiān)督項目開展過程中發(fā)現(xiàn)的, 因此今后有必要繼續(xù)嚴格按照《DL438 -2012 火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》開展金屬監(jiān)督工作, 結(jié)合機組檢修對#1、#3、#4 鍋爐減溫器進行檢查(修前需做好必要的備件儲備)。