发电厂旋涡文丘里式喷水减温器损坏技经分析及对策

袁建飞

(秦皇岛发电有限责任公司)

0 引言

某火力发电厂2 号锅炉型号为BW—670/13.7—M, 该型锅炉是引进美国B&W 公司技术的产品, 锅炉为超高压参数, 中间再热, 自然循环炉型。

该型锅炉采用两级喷水减温器来调节过热汽温,一、二级左右侧喷水减温器均为旋涡文丘里式喷水减温器, 其主要结构如图1 所示。该型减温器减温水雾化质量好, 减温幅度大, 可用于减温水量变化频繁的工作条件, 缺点是旋涡喷嘴为悬臂式结构, 容易产生振动而发生断裂。

1 设备损坏情况

2 号机组A 级检修中, 在开展金属技术监督项目过程中发现左、右侧二减喷嘴入口与喷嘴进水管处焊口断裂, 进一步检查发现管座、联箱筒体、文丘里内衬套等部位存在宏观裂纹; 左、右侧二级减温器套管与管座焊接部位开焊且套管与钢碗接合面之间过盈配合已经消失; 左侧文丘里混合管喉部断裂且减温器外部悬吊装置销子脱出; 左、右侧喷嘴入口装置内部半圆倒角处有两条环向裂纹。以上所发现问题的具体位置在二级减温器结构图标示如图2 所示(粗箭头所示为焊口断裂部位, 红色细箭头所示为发现裂纹部位,蓝色为过盈配合消失部位)。[1]

图3 断口表面呈现细瓷状

2 喷嘴装置进水管焊口断裂原因分析

从二级减温器各部位损坏的情况来看, 减温器各部位产生裂纹乃至断裂现象的原因应为喷嘴装置进水管口焊口断裂后, 大量减温水直接从喷嘴入口喷溅到管座上, 并顺套管、套管与管壁之间的焊缝开裂处流到筒体、文丘里套管部位, 部件在温差交变应力作用下产生热疲劳裂纹。鉴于以上检查中所发现的问题原因分析已比较清楚, 且专业上能形成共识, 因此下面重点就喷嘴装置进水管焊口断裂的原因进行深入分析。

2.1 可能导致喷嘴装置进水管焊口断裂的原因有以下几方面

2.1.1 温差交变应力

在机组运行过程中, 由于通过二级减温器筒体(联箱) 的蒸汽温度较高, 进水管的管壁温度接近减温水的温度, 这样, 进水管在温差交变应力的作用下, 其焊口处易产生裂纹最终导致其断裂。

该原因, 即温差交变应力疲劳, 也同时发生在一级减温器及再热减温器上, 但经检查这两种类型4 套减温器未发现喷嘴装置损坏迹象; 同时二级减温器喷嘴装置有同管径的两道焊口, 这两道焊口在运行中承受的热交变应力是一样的, 但上部焊口发生断裂, 下部焊口完好无损。鉴于以上两点, 分析认为热交变应力疲劳对焊口断裂有一定影响, 但应为造成焊口断裂的非主要原因, 属于辅助因素。

2.1.2 机械振动疲劳

经过流体力学计算得知, 减温器筒体内汽流速度对喷管产生激振力, 同时流体经过一个圆柱形障碍物时, 障碍物后产生卡门涡流, 其频率f=0.22V/D(V为流体冲刷速度,D为圆柱体外径)。对于#2 炉一、二级减温器, 因其设计为悬臂式结构, 其喷嘴及进水管形状近似于圆柱体, 必然存在这种卡门涡流。在这两个因素中, 卡门漩涡的频率对于整个受迫振动的频率起到决定作用, 二者是约等于的关系。当受迫振动的频率与喷嘴装置本身固有的频率相一致时, 整个喷嘴就会发生共振, 进而导致喷嘴断裂损坏。机械振动疲劳破坏, 其断口往往有明显的疲劳纹, 裂纹由外表向内发展, 断口表面呈细瓷状。

经分析机械振动疲劳是导致二级减温器喷嘴装置进水管焊口断裂的主要原因。[2]

首先, 宏观检查断裂焊口表面呈现明显的细瓷状, 该点符合振动疲劳损坏的特征。

第二, 左右侧二减喷嘴入口经金属专业检查均发现内部半圆倒角处有两条环向裂纹说明喷嘴运行中发生了共振现象。该部位位于喷嘴入口进水管根部, 且从结构上看为属于悬臂结构的喷嘴装置运行中最大机械应力点, 该处材料为25Cr2MoVA, 该类钢为低碳合金结构钢, 多用于轴套、螺栓类结构件制作, 机械性能优良, 该处发现裂纹, 说明该部位运行中受到了足以产生破坏的振动, 综合第一点和第二点描述的两现象, 分析认为运行中喷嘴装置发生了共振现象。

第三, 二级减温器喷嘴装置进水管的结构尺寸较一级减温器更易发生共振

鉴于本次检查中与二级减温器结构型式相同的一级减温器未发现损坏迹象, 故在原因分析之前就一级减温器与二级减温器异同之处进行对比, 一、二级减温器喷嘴装置结构型式一致, 且减温水均来自高加前给水, 温度(本段引用均为设计值) 均为160℃, 二者工作温度有所不同(一减处415℃, 二减处434℃), 但仅相差19℃。从外形尺寸来看, 一级减温器喷嘴装置较为短粗, 二减较为细长, 且一减喷嘴装置进水管壁厚大于二减。(一减喷嘴装置进水管尺寸ϕ89 ×12mm, 二减为ϕ60 ×9mm; 一减喷嘴入口外圈至喷嘴中心线距离459mm, 二减为535mm)。

从外形尺寸来看, 一级减温器喷嘴装置较为短粗, 二减较为细长, 相对于一减, 二减喷嘴装置的喷嘴总悬臂长度L 数值较高, 悬臂进水管环形断面二次惯性矩I 数值较低, 综合来看, 二减喷嘴装置本身固有的频率(自振频率) 比一减低, 这样运行中更容易发生卡门涡流的频率(激振频率) 与自振频率一致而引发共振。

第四、套管与支撑钢碗接合面之间过盈配合已经消失, 无法实现喷嘴进水管运行中的弹性吸振(固定) 功能, 导致发生共振的可能性大大增加, 支撑钢碗与套管的过盈配合消失的原因应与与制造、安装及长期运行(20 年) 等因素有关。

第五、悬吊装置销子脱出为左侧二减减温器筒体运行中存在较大振动的旁证。

左侧二减文丘里衬套断裂(该衬套一段固定, 另一端活动), 同时减温器外部悬吊装置销子脱出, 该现象不是孤立的, 应和振动有关(具体是喷嘴振动引发还是断裂后的文丘里衬套振动暂无法确定)

2.2 原因分析结论

综上所述, 做出如下分析和推断, 即机械疲劳应力是导致喷嘴装置进水管焊口断裂的主要原因, 焊接缺陷或热处理不规范为重要原因, 温差交变应力为辅助因素。

#2 炉二级减温器喷嘴装置属于悬臂结构, 因自身外形、规格、尺寸的原因, 导致其自振频率相对较低, 尤其在支撑钢碗与套管的过盈配合消失后无法保证在运行中过热蒸汽汽流对喷嘴装置的激振频率与其自振频率之比小于0.75 的安全裕度, 运行中某一负荷点当激振频率与自振频率达到一致时, 喷嘴装置发生共振。发生共振后, 造成喷嘴装置根部最大机械疲劳应力点产生环形裂纹, 并在最大应力点附近的且存在延迟裂纹的异种钢焊口处产生了破坏, 造成焊口断裂。焊口断裂后, 低温减温水(160℃) 直接从喷嘴入口喷溅到高温管座(434℃)上, 并顺套管、套管与管壁之间的焊缝开裂处流到筒体、文丘里套管部位, 各部件在温差交变应力作用下产生热疲劳裂纹, 并造成了左侧文丘里衬套断裂。

2.3 喷嘴装置进水管焊口断裂可能引发的后果

减温器喷嘴装置进水管在运行过程中, 在温差应力和机械振动的共同作用下, 使焊口发生断裂。焊口发生断裂后, 温度较低的减温水(160℃) 就会从泄漏处流到减温器管座内壁和减温器文丘里衬套管及联箱内壁(434℃) 上, 一旦减温水流到这些高温部位, 就会使减温器进水管管座和减温器联箱内壁温度急剧降低, 这样减温器管座内壁和减温器文丘里衬套管及联箱内壁在温差应力的长期作用下, 便会产生裂纹(目前#2 炉左右侧二级减温器管座、文丘里衬套、喷嘴孔均已发现裂纹), 如不进行及时处理, 这些裂纹发展到一定程度有可能导致承压部件爆破, 严重威胁人身和设备安全。[3]

3 对策措施

4.1 鉴于本次#2 炉左右侧二级减温器管座内壁及文丘里衬套内壁均已发现裂纹, 且左侧减温器文丘里衬套已经断裂, 因此建议下次检修中更换左右侧二级减温器整套减温器装置, 以彻底消除该事故隐患。

4.2 新喷水减温器制造、安装过程中加强对喷嘴进水管支撑钢碗与套管过盈配合情况的检查确认, 确保支撑钢碗的弹性吸振功能能够正常发挥,在今后的减温器检查中也要对该配合情况进行重点检查。

4.3 锅炉制造厂选用25Cr2MoVA 这种机械性能优良的结构钢制作喷嘴入口, 其设计初衷应该是考虑到喷嘴入口位于悬臂结构根部, 为悬臂梁振动的最大应力点, 但选用该种材质却带来了其自身可焊性及异种钢焊接的问题, 为规避以上弊端, 如果依据振动校核的结果对减温器设计进行改进后, 建议把减温器喷嘴入口与进水管选择同种材质。

4.4 公司一期锅炉投运已达20 年 (14 万小时), 二期锅炉达16 年(11 万小时), 鉴于#2 炉减温器检查出的问题, 建议公司建立一、二期锅炉喷水减温器(尤其是过热蒸汽二级减温器) 事故备件储备,以备不时之需。

4.5 鉴于#2 炉减温器目前存在的隐患尚未完全消除, 建议在#2 机组运行期间, 应避免大幅度的调整减温水量, 尤其应避免大开、大关或时开、时关的运行工况。

4.6 将本次#2 炉减温器检查出的问题纳入公司事故隐患排查库中, 挂牌督办, 限期整改, 使该隐患的消除得到制度和流程上的保证。

4.7 继续认真开展金属监督工作, 本次#2 炉减温器发现的问题就是在金属监督项目开展过程中发现的, 因此今后有必要继续严格按照《DL438 -2012 火力发电厂金属技术监督规程》开展金属监督工作, 结合机组检修对#1、#3、#4 锅炉减温器进行检查(修前需做好必要的备件储备)。