主鍋爐煙氣凈化裝置故障分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

郭家敏，高思陽，曲 龍

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078）

渦輪增壓機(jī)組是蒸汽動力系統(tǒng)的重要組成部分，為主鍋爐提供燃燒所需的壓力及流量的壓縮空氣，同時(shí)，主鍋爐燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣管路進(jìn)入渦輪增壓機(jī)組煙氣渦輪中膨脹做功，帶動渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，壓縮后的空氣經(jīng)鍋爐夾層進(jìn)入爐膛中進(jìn)一步參與燃燒[1-2]。由于鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣流速快且煙氣渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，因此煙氣的品質(zhì)對于煙氣渦輪的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

煙氣凈化裝置作為主鍋爐煙氣的凈化裝置，可以過濾煙氣中的異物及固體顆粒并通過排塵管將其排出，避免煙氣渦輪葉片受到機(jī)械損傷。煙氣凈化裝置由左、右2 種規(guī)格共計(jì)10 組除塵單元、2 型壓板及緊固件組成，煙氣凈化裝置在鍋爐煙道中的安裝示意圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 煙氣凈化裝置在鍋爐煙道中的安裝示意圖

圖2 煙氣凈化裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1 故障現(xiàn)象

在某次動力航行試驗(yàn)主機(jī)升工況過程中，試驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)在鍋爐負(fù)荷基本一致的情況下，5#渦輪增壓機(jī)組輔助汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速比6#渦輪增壓機(jī)組高了約1 100 r/min，同時(shí)5#主鍋爐的爐膛壓力、空氣夾層壓力及排煙壓力等參數(shù)明顯高于6#鍋爐，并且隨著主機(jī)工況的升高，2 臺機(jī)組轉(zhuǎn)速相差越來越大。為了查明故障的具體原因，現(xiàn)場試驗(yàn)人員決定緊急停機(jī)并進(jìn)行排查。技術(shù)人員首先對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行排查，檢查系統(tǒng)的控制程序、鍋爐燃燒參數(shù)的設(shè)定情況，同時(shí)對參與控制的各測點(diǎn)、傳感器、調(diào)節(jié)閥等進(jìn)行狀態(tài)檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。在進(jìn)一步排查過程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)煙氣測量管變形，傳感器無法取出，為了查明具體原因，技術(shù)人員將5#鍋爐人孔門打開，此時(shí)發(fā)現(xiàn)10組煙氣除塵單元僅有5組固定在安裝底座上，另外5組除塵單元已經(jīng)與安裝底座脫離，其中3 組錯(cuò)落在底座和經(jīng)濟(jì)器上，另外2 組除塵單元已被高速煙氣吹至煙道上方。10 組除塵單元均有不同程度磕碰及變形。4 塊固定壓板已經(jīng)松脫3 塊，緊固螺栓也已掉落在底座上，鍋爐煙氣壓差測量管已經(jīng)被除塵單元撞彎。

2 故障原因分析及處理措施

2.1 故障原因分析

煙氣凈化裝置安裝在主鍋爐經(jīng)濟(jì)器上方，鍋爐燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣凈化裝置除塵單元下部進(jìn)入，經(jīng)過除塵單元的百葉板過濾后，高溫?zé)煔馔ㄟ^煙氣管道進(jìn)入煙氣渦輪中進(jìn)行膨脹做功，此時(shí)被百葉板過濾掉的異物及固體顆粒會隨著氣流進(jìn)入到排塵管，最終經(jīng)煙氣渦輪后的排氣管排出。在鍋爐的實(shí)際運(yùn)行過程中，鍋爐負(fù)荷的變化以及爆燃等情況會導(dǎo)致煙氣流速變化，從而引起煙氣凈化裝置的振動，除塵器壓板的緊固螺栓經(jīng)過長時(shí)間的振動及溫度變化導(dǎo)致熱脹冷縮，使得緊固螺栓的預(yù)緊力降低，并發(fā)生松動，最后連接壓板的緊固螺栓與螺母脫落，引起煙氣凈化裝置壓板松脫離位，無法起到壓緊效果，導(dǎo)致除塵器單元被高速的氣流吹起，進(jìn)而造成煙氣壓差減小，機(jī)組轉(zhuǎn)速異常升高，影響了機(jī)組正常運(yùn)行。緊固螺栓安裝示意圖見圖3。

圖3 緊固螺栓安裝示意圖

2.2 處理措施

為保證后續(xù)航行試驗(yàn)任務(wù)能夠順利開展，技術(shù)人員將5#鍋爐煙氣凈化裝置除塵單元拆出，現(xiàn)場技術(shù)人員對磕碰變形的除塵單元進(jìn)行安全評估后決定予以修復(fù)，同時(shí)檢查除塵單元各焊接部位，確保無開焊、裂紋等現(xiàn)象，對變形的除塵器壓板及煙氣壓差測量管進(jìn)行校型修復(fù)，在確認(rèn)無安全風(fēng)險(xiǎn)的前提下，將修復(fù)后的煙氣凈化裝置回裝。同時(shí)，為了確保脫落的除塵單元、壓板及緊固件未對渦輪增壓機(jī)組煙氣渦輪造成損傷，技術(shù)人員通過排煙管的人孔門鉆入煙氣渦輪后部對煙氣渦輪葉片進(jìn)行了檢查，檢查結(jié)果表明煙氣渦輪葉片無磕碰、裂紋等問題。經(jīng)試驗(yàn)各方確認(rèn)并進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估后決定繼續(xù)開展試驗(yàn)，待備件送達(dá)后，對5#主鍋爐煙氣凈化裝置進(jìn)行換新處理。

與此同時(shí)，為了避免上述故障再次發(fā)生并且確保后續(xù)試驗(yàn)順利進(jìn)行，針對5#主鍋爐煙氣凈化裝置發(fā)生的故障，現(xiàn)場技術(shù)人員對其余7臺煙氣凈化裝置進(jìn)行預(yù)防性檢查，經(jīng)各方檢查確認(rèn)，其余7 臺主鍋爐煙氣凈化裝置狀態(tài)完好，沒有出現(xiàn)除塵單元脫落及螺栓松動等情況。結(jié)合7 臺煙氣凈化裝置實(shí)際拆檢情況以及本型號設(shè)備在其他船上的使用情況，初步認(rèn)為5#煙氣凈化裝置由于螺栓松動而引發(fā)的除塵單元脫落事件為個(gè)例。

3 優(yōu)化改進(jìn)

煙氣凈化裝置長時(shí)間工作在高溫和高速氣流環(huán)境中，煙氣凈化裝置壓板、緊固螺栓由于高溫和高速氣流激振，會逐漸釋放預(yù)緊力，經(jīng)過一定時(shí)間的累積造成緊固預(yù)應(yīng)力不足發(fā)生松動，最后螺栓與螺母脫落，引起煙氣凈化裝置壓板松脫離位。因此，在對5#主鍋爐煙氣凈化裝置進(jìn)行換新處理后，為避免再次出現(xiàn)上述問題，需對煙氣凈化裝置緊固裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，增加防松措施，提高設(shè)備的可靠性，初步形成以下3種方案。

1）方案一：增加限位塊和止動墊圈。圖4 為優(yōu)化前煙氣凈化裝置壓板緊固件安裝圖，圖5 為優(yōu)化后增加限位塊和止動墊圈安裝圖。具體實(shí)施方法：先將除塵單元排塵管與對應(yīng)的出口煙箱集氣管插接，然后順次安裝左右兩邊除塵單元，確保各除塵單元與安裝底架良好貼合后，再利用壓板上的掛鉤將除塵單元固定在安裝底架上，然后將壓板、限位塊及D 型螺栓試裝，再將限位塊焊接到壓板上，最后順次裝入螺栓、止動墊圈及螺母，待螺栓緊固后將止動墊圈進(jìn)行鎖緊。

圖4 優(yōu)化前煙氣凈化裝置壓板緊固件安裝圖

圖5 優(yōu)化后增加限位塊和止動墊圈安裝圖

2）方案二：增加限位塊和開口銷。圖6 為優(yōu)化后增加限位塊及開口銷安裝圖。具體實(shí)施方法：先將除塵單元排塵管與對應(yīng)的出口煙箱集氣管插接，然后順次安裝左右兩邊除塵單元，確保各除塵單元與安裝底架達(dá)到良好貼合后，再利用壓板上的掛鉤將除塵單元固定在安裝底架上。然后將壓板、限位塊及D 型螺栓試裝，再將限位塊焊接到壓板上，最后順次裝入螺栓及螺母，待螺栓緊固后將開口銷插入并進(jìn)行鎖緊。

圖6 優(yōu)化后增加限位塊和開口銷安裝圖

3）方案三：增加六角螺栓和自鎖螺母。圖7為優(yōu)化后增加六角螺栓和自鎖螺母安裝圖。具體實(shí)施方法：先將除塵單元排塵管與對應(yīng)的出口煙箱集氣管插接，然后順次安裝左右兩邊除塵單元，確保各除塵單元與安裝底架良好貼合后，再利用壓板上的掛鉤將除塵單元固定在安裝底架上，然后順次裝入螺栓及螺母，并將自鎖螺母鎖緊。

圖7 優(yōu)化后增加六角螺栓和自鎖螺母安裝圖

上述3種方案中，方案一與方案二均增加了限位塊，有效地避免了螺栓的轉(zhuǎn)動，提高了緊固裝置的可靠性，但由于限位塊需要現(xiàn)場配裝，煙氣凈化裝置內(nèi)部操作空間有限，增加了安裝難度，同時(shí)由于限位塊焊接在壓板上，隨著除塵器的振動，長期工作在惡劣環(huán)境下的限位塊存在脫落風(fēng)險(xiǎn)，脫落的限位塊可隨著高速氣流進(jìn)入煙氣渦輪，破壞渦輪葉片。方案一與方案二分別采用了止動墊圈及開口銷的防松設(shè)計(jì)，確保螺帽不會松脫，但止動墊圈及開口銷也存在斷裂、脫落風(fēng)險(xiǎn)。相較于前2種方案，雖然方案三只采用了一種防松設(shè)計(jì)，但也足以保證緊固裝置的緊固性，同時(shí)方案三的結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝。因此技術(shù)人員經(jīng)過分析比較后采用了方案三的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在確定了優(yōu)化改進(jìn)方案后，技術(shù)人員完成了船上8臺煙氣凈化裝置的優(yōu)化改進(jìn)工作，經(jīng)過多個(gè)航次的使用驗(yàn)證后，技術(shù)人員對煙氣凈化裝置進(jìn)行拆檢，檢查結(jié)果表明采用優(yōu)化后的緊固裝置均未發(fā)生松動。在采用防松設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)除塵器的運(yùn)行使用說明，定期對除塵器進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)檢查，同時(shí)，在煙氣凈化裝置的實(shí)際安裝使用過程中，要確保緊固螺栓有足夠的預(yù)緊力，同時(shí)保證在除塵器安裝過程中壓板的掛鉤要安裝到位，避免由于壓板掛鉤安裝不到位導(dǎo)致后期壓板竄動，確保除塵器安全可靠運(yùn)行。

4 結(jié)束語

煙氣凈化裝置長期工作在高溫和高速的煙氣氣流中，緊固螺栓隨著除塵器的振動及煙氣溫度變化容易發(fā)生由于預(yù)緊力不足而引發(fā)松動故障，從而造成設(shè)備損壞，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)，為了解決上述問題，本文提出了3種煙氣凈化裝置緊固裝置防松優(yōu)化改進(jìn)方案，經(jīng)比較分析后采用了增加自鎖螺母方式的防松設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的緊固裝置得到了實(shí)船驗(yàn)證，新的緊固方式安全可靠，可以保證煙氣凈化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。