電站鍋爐除氧器連接管開(kāi)裂原因分析及改進(jìn)

　　近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。在我國(guó)電力行業(yè)中，電力需求日益增長(zhǎng)，電網(wǎng)容量逐步擴(kuò)大，電站鍋爐裝機(jī)容量加大，大批高參數(shù)、大容量機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)各種機(jī)電設(shè)備及其連接管道可靠性和安全性的要求也越來(lái)越高。隨著管徑和壁厚的增大，管道所承受的壓力和溫度不斷提高，這都對(duì)管道的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。管道長(zhǎng)期在高溫高壓工況下運(yùn)行，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，容易使得管道及管道與設(shè)備連接部位在運(yùn)行過(guò)程中承受較大的載荷、彎矩和應(yīng)力，從而發(fā)生材質(zhì)疲勞及產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)將造成事故，給電站員工的人身安全和國(guó)內(nèi)財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此開(kāi)展應(yīng)力分析來(lái)保障管道運(yùn)行的安全性變得更為重要。

　　管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其在管道優(yōu)化設(shè)計(jì)及確保管道安全方面有著十分重要的作用。其主要功能是對(duì)所設(shè)計(jì)管道的強(qiáng)度、安全性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，為管道設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。對(duì)于電站鍋爐管道，應(yīng)力主要來(lái)源于管道承受內(nèi)壓力、外部載荷以及熱膨脹等。在這些因素的共同作用下，管道應(yīng)力形態(tài)非常復(fù)雜。因而，目前的管道應(yīng)力分析通常需要借助應(yīng)力分析軟件（如Caesar II 等）在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，通過(guò)管道應(yīng)力分析與計(jì)算，研究管道在復(fù)雜應(yīng)力形態(tài)下產(chǎn)生的力、彎矩及應(yīng)力，從而評(píng)價(jià)管道安全性及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前已經(jīng)有不少這方面的研究已經(jīng)開(kāi)展。包括管道布置優(yōu)化、支吊架失效分析及處理 和支吊架彈簧選型及優(yōu)化等。

　　本文對(duì)浙江省某電廠(chǎng)一臺(tái)鍋爐上除氧器連接管開(kāi)裂的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并結(jié)合應(yīng)力分析軟件提出了改進(jìn)方案。

1 問(wèn)題描述

　　在電站鍋爐系統(tǒng)中，除氧器是鍋爐給水預(yù)處理系統(tǒng)中的重要設(shè)備, 在高溫、高壓條件下工作，內(nèi)部含有一定壓力的飽和水，如發(fā)生事故，可能造成較為嚴(yán)重的后果。在浙江省某電廠(chǎng)的一臺(tái)鍋爐上，出現(xiàn)了除氧器與管道連接部位開(kāi)裂的問(wèn)題。該除氧器及其連接管道的布置與走向如圖1 所示。管道連接輔助蒸汽母管和除氧器，用于將輔助蒸汽送入除氧器加熱給水，實(shí)現(xiàn)給水除氧。該管道總長(zhǎng)為28.72m，為支撐管道重量及控制管道變形，沿程設(shè)置有4 個(gè)彈簧支吊架，其中1 號(hào)為雙彈簧變力吊架，2 號(hào)為單彈簧恒力吊架，3 號(hào)、4 號(hào)則均為單彈簧變力支架。該管道的運(yùn)行壓力及溫度分別為1.47MPa 和350℃。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)除氧器與管道連接部位（即F 點(diǎn)位置）的上部出現(xiàn)了一些裂紋。這些裂紋雖沒(méi)有發(fā)展到非常嚴(yán)重的程度，但如果不采取措施任其擴(kuò)展，則有可能造成較為嚴(yán)重的后果。因此必須對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析并進(jìn)行整改。

圖1 除氧器及其連接管道

2 原因分析及改進(jìn)措施

　　對(duì)于電站鍋爐除氧器與管道連接部位出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題，其直接原因必然是該連接部位在工作過(guò)程中應(yīng)力較大，從而在較長(zhǎng)時(shí)間的工作過(guò)程中使得材料逐漸疲勞，終導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生。而造成應(yīng)力較大的原因，則需要從管道布置與走向來(lái)進(jìn)行研究。分析該管道的結(jié)構(gòu)，可以看到，BC 段管道長(zhǎng)度為16.6m，占管道全長(zhǎng)的58%，而CD 段管道和DE 段管道的長(zhǎng)度分別只有3.3m 和2.35m，這就使得在熱態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)BC 段發(fā)生熱膨脹時(shí)（此時(shí)C 點(diǎn)的熱膨脹位移是向上的），CD 和DE 段無(wú)法將熱膨脹有效吸收，從而使得E 點(diǎn)承受較多的轉(zhuǎn)嫁熱位移，終造成EF 段向上受力過(guò)大，且使得F 點(diǎn)承受較大的彎矩，造成F 點(diǎn)位置應(yīng)力集中。

　　為了改進(jìn)F 點(diǎn)應(yīng)力集中的問(wèn)題，則需要尋找在熱態(tài)運(yùn)行過(guò)程中能有效吸收BC 段熱膨脹的方法。本文提出的一種方法是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)空間情況，將CD 段的長(zhǎng)度延長(zhǎng)2.5m，再折回E 點(diǎn)，同時(shí)考慮支吊架布置的跨距要求，在折回E 點(diǎn)的管段上再增加一個(gè)彈簧支架（5號(hào)支吊架）。改進(jìn)后的管道布置圖如圖2 所示。這樣設(shè)計(jì)的管道能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的空間要求，同時(shí)又額外增加了5m 的管道來(lái)吸收C 點(diǎn)的向上熱位移，如此就能減小EF 段的受力及F 點(diǎn)所承受的彎矩，從而減小F點(diǎn)的應(yīng)力，降低了該位置出現(xiàn)裂紋的可能性。

圖2 改進(jìn)后的管道布置及走向

3 應(yīng)力分析驗(yàn)證

　　對(duì)于上述改進(jìn)方法的有效性，以下采用應(yīng)力分析方法進(jìn)行驗(yàn)證。利用應(yīng)力分析軟件CAESAR II 分別對(duì)原管道和改進(jìn)后管道進(jìn)行1:1 建模（見(jiàn)圖3）。管道沿程的4 個(gè)支吊架也按照實(shí)際的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，改進(jìn)后管道所增加的5 號(hào)支吊架則由軟件自動(dòng)選擇，各支吊架的參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)應(yīng)力分析可計(jì)算F 點(diǎn)的受力、承載彎矩情況及應(yīng)力大小。

圖3 原管道和改進(jìn)后管道建模情況

表1 各支吊架參數(shù)

　　F 點(diǎn)的應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從計(jì)算結(jié)果可以看到，改進(jìn)管道布置后，在工作狀態(tài)下，F(xiàn) 點(diǎn)的受力由7568N 降低至4541N，而所承受的彎矩也由33018N·m降至17783N·m。同時(shí)，一次應(yīng)力由44272.3kPa 升高到47640.8kPa，二次應(yīng)力則由27405.9kPa 降低至6948.1kPa。上述結(jié)果表明，進(jìn)行改進(jìn)后，減小了F 點(diǎn)的受力及承受的彎矩，雖然由于管道總重量的增加略微提高了一次應(yīng)力，但顯著降低了二次應(yīng)力，這就使得F 點(diǎn)在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的應(yīng)力得到了降低。因此，通過(guò)應(yīng)力軟件分析可以證明，這一改進(jìn)方法能夠有效降低除氧器與管道連接部位產(chǎn)生裂紋的可能性, 從而提高了該管道在長(zhǎng)期使用中的安全性。

表2 F 點(diǎn)應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果

4 總結(jié)與討論

　　本文的主要工作是對(duì)浙江省某電廠(chǎng)一臺(tái)鍋爐上除氧器連接管開(kāi)裂的問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合應(yīng)力分析軟件提出及驗(yàn)證了改進(jìn)方案。主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

　　1）除氧器與管道連接部位開(kāi)裂的直接原因在于該部位在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

　　2）造成除氧器與管道連接部位應(yīng)力集中的主要原因是該管道垂直上升段過(guò)長(zhǎng)且在與設(shè)備相連之前沒(méi)有足夠的管段來(lái)吸收熱膨脹。

　　3）本文提出了一種改進(jìn)方案，對(duì)較長(zhǎng)管段的熱膨脹進(jìn)行了有效吸收，減小了除氧器的受力及所承受彎矩，降低了應(yīng)力水平，提高了除氧器在長(zhǎng)期使用中的安全性。

　　從上述結(jié)論可以看到，對(duì)于較長(zhǎng)管段與設(shè)備相連的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)充分考慮該管段的熱膨脹性，可通過(guò)設(shè)置較長(zhǎng)的過(guò)渡管段有效吸收熱位移后再與設(shè)備相連來(lái)減少設(shè)備的受力與所承受彎矩，從而降低應(yīng)力水平，提高長(zhǎng)期使用的安全性。