大容量燃?xì)鉄崴仩t對(duì)流管束的振動(dòng)分析和預(yù)防措施

摘要：

針對(duì)一臺(tái)58 MW燃?xì)鉄崴仩t部分對(duì)流管束產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象進(jìn)行了深入的原因分析.對(duì)斷口部分進(jìn)行了宏觀檢查、金相組織分析和掃描電鏡分析，對(duì)煙氣沖刷對(duì)流管束時(shí)氣柱的固有（駐波）頻率、卡門渦流頻率和水管固有振動(dòng)頻率分別進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)該鍋爐的對(duì)流管束進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，得出了對(duì)流管束產(chǎn)生管子的共振會(huì)引發(fā)部分對(duì)流管脆性斷裂的結(jié)論.并據(jù)此提出了一系列具體的預(yù)防和控制措施及建議，通過(guò)改變管子的固有頻率解決此類問(wèn)題的發(fā)生，為鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障.

關(guān)鍵詞：

燃?xì)鉄崴仩t； 振動(dòng)； 固有頻率； 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TK 229.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Vibration analysis and precaution of convection tube banks

on a large-capacity gas-fuel fired hot water boiler

WU Xiao-yun， WANG Zhe-jiang

（Shanghai Industrial Boiler Research Institute，Shanghai 200071，China）

Abstract：The cause of cracking of partial convection tube banks on a 58 MW gas-fuel fired hot water boiler was analyzed in this paper.A macroscopic examination on the fracture surface was carried out，and a microstructure analysis and scanning electron microscopy （SEM） analysis were made.Calculations were performed to obtain the natural （VSWR） frequency and Karman vortex frequency of the gas column resulting from flue-gas flowing over the convection tube banks and the natural vibration frequency of water tubes，respectively.A vibration test on the convection tube banks of the boiler was conducted.It was concluded from the calculations and test that the tubes resonance of convection tube banks could lead to the brittle fracture of partial convection tubes.In addition，concrete precaution and control measures，and suggestions were offered.By changing the natural frequency of the tubes，e.g.，the tubes resonance and the brittle fracture of partial convection tubes can be avoided and the safe and steady operation of the boiler can be guaranteed.

Key words：

gas-fuel fired hot water boiler； vibration； natural frequency； structural improvement

近年來(lái)，環(huán)境污染問(wèn)題已越來(lái)越受到人們的高度重視.我國(guó)傳統(tǒng)的能源以燃煤為主，會(huì)產(chǎn)生大量的PM10和SO2等污染物，特別在北方地區(qū)，燃煤供熱已成為加劇大氣污染的罪魁禍?zhǔn)?隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，為了解決人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高度集中的大城市日益嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題，國(guó)家提出了將以煤炭為主的污染型能源利用結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪娏Α⑻烊粴獾饶茉礊橹鞯那鍧嵭湍茉蠢媒Y(jié)構(gòu)的調(diào)整策略.隨著大容量燃?xì)馑苠仩t的設(shè)計(jì)開發(fā)以及大容量產(chǎn)品的產(chǎn)銷量不斷上升，一些以前小容量燃?xì)忮仩t不易出現(xiàn)的問(wèn)題逐漸突顯，其中燃?xì)忮仩t對(duì)流管束由振動(dòng)引發(fā)的泄漏時(shí)有發(fā)生.本文就一臺(tái)58 MW燃?xì)鉄崴仩t運(yùn)行后對(duì)流管束泄漏的原因進(jìn)行研究和分析，并提出了預(yù)防措施.

1 鍋爐結(jié)構(gòu)和故障現(xiàn)象

該鍋爐為“D”型布置、雙鍋筒、縱置式、全膜式壁密封結(jié)構(gòu)、微正壓室燃方式的燃?xì)馑苠仩t.從煙氣側(cè)的流程看，鍋爐本體受熱面為兩回程，天然氣與空氣充分混合后進(jìn)入布置在鍋爐前墻右側(cè)的燃燒器，在具有足夠燃燒空間的全膜式水冷壁密封結(jié)構(gòu)的爐膛中充分燃燒，并進(jìn)行輻射換熱；通過(guò)爐膛出口的凝渣管后，依次進(jìn)入布置在鍋爐左側(cè)上、下鍋筒之間的密集對(duì)流管束Ⅰ、Ⅱ進(jìn)行對(duì)流換熱，對(duì)流管束Ⅰ、Ⅱ兩側(cè)的煙道為全膜式水冷壁密封結(jié)構(gòu)；然后進(jìn)入尾部布置的翅片管式節(jié)能器進(jìn)行對(duì)流換熱，進(jìn)一步降低排煙溫度，提高鍋爐效率，最后通過(guò)煙囪排入大氣.在整個(gè)煙氣流程中不設(shè)置引風(fēng)機(jī)，主要依靠燃燒器的背壓克服煙氣流程中的阻力.同時(shí)，鍋爐后墻、對(duì)流管束區(qū)域的前墻也采用全膜式水冷壁密封結(jié)構(gòu)，防爆門布置在爐膛的頂部，檢查門和窺火孔布置在爐膛后墻^[1].鍋爐受熱面布置如圖1所示.

該鍋爐運(yùn)行一段時(shí)間后，在對(duì)流管束Ⅱ區(qū)域出現(xiàn)了多根對(duì)流管束開裂和斷裂的現(xiàn)象，開裂和斷裂部位均位于對(duì)流管與鍋筒焊接區(qū).現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，距管子與鍋筒連接焊縫約2～3 mm處存在環(huán)向裂紋，如圖2所示.

2 原因分析

2.1 斷口宏觀觀察

鍋爐的對(duì)流管束材質(zhì)為20低中壓鍋爐用無(wú)

縫鋼管，規(guī)格為51×3 mm；鍋筒材質(zhì)為Q245R.

對(duì)流管裂紋斷口如圖3所示.通過(guò)觀察，開裂處無(wú)明顯塑性變形，為脆性開裂.斷口有起自外表面的臺(tái)階，表明裂紋起自外表面，并由外表面向內(nèi)表面方向擴(kuò)展.圖3中顯示由于管子開裂后水沖刷壁面使其明顯變薄.

2.2 斷口金相組織分析

管子母材金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體輕度球化，如圖4所示.管子材質(zhì)符合GB/T 3087和GB 699要求，母材珠光體球化可能與斷裂后缺水過(guò)熱有關(guān).

2.3 斷口掃描電鏡分析

斷口經(jīng)化學(xué)除銹后利用掃描電鏡進(jìn)行觀察，原開裂斷口形貌如圖7所示，為腐蝕后的形貌，因?yàn)閲?yán)重腐蝕開裂時(shí)的斷口形貌已無(wú)法看到.圖8為從鍋筒取樣時(shí)撕開金屬后的斷口形貌，為清晰的韌窩斷口，表明斷口腐蝕是由鍋爐水引起的.

2.4 原因分析

由上述分析可知，斷裂發(fā)生于管側(cè)熱影響區(qū)，不是瞬間斷裂.管材為低碳鋼且碳含量和硫含量均較低，產(chǎn)生焊接延遲裂紋和液化裂紋的可能性很小.在檢驗(yàn)中也未發(fā)現(xiàn)延遲裂紋和液化裂紋的特征，基本可排除由焊接裂紋引起斷裂的可能性.斷口為穿晶開裂，未發(fā)現(xiàn)沿晶開裂特征，可排除由焊縫微滲漏引起苛性脆化導(dǎo)致斷裂的可能性.

對(duì)流管束斷裂是延遲性脆性開裂，開裂與焊接裂紋、苛性脆化無(wú)關(guān)，可認(rèn)為由交變應(yīng)力（振動(dòng)）性脆化導(dǎo)致斷裂.此外，由于焊接不當(dāng)也會(huì)造成裂紋的形成和擴(kuò)展斷裂.

3 振動(dòng)分析和原因判斷

3.1 振動(dòng)的初步分析

當(dāng)煙氣沖刷對(duì)流管束時(shí)存在三個(gè)頻率：氣柱的固有（駐波）頻率、卡門渦流頻率、水管固有振動(dòng)頻率.氣柱的固有（駐波）頻率與通道寬度（與管子長(zhǎng)度有關(guān)）、進(jìn)口氣體絕對(duì)溫度、波的階次（半波數(shù)）、氣體性質(zhì)有關(guān)；卡門渦流頻率與管子直徑、橫縱向節(jié)距、氣流速度、管束排列方式有關(guān)；管子固有振動(dòng)頻率與兩端固定波的階次、管子內(nèi)外徑、管子長(zhǎng)度有關(guān).一般情況下，當(dāng)氣柱的固有（駐波）頻率或卡門渦流頻率與管子固有振動(dòng)頻率發(fā)生重合時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，造成管子產(chǎn)生環(huán)向裂紋而破壞.

3.2 振動(dòng)頻率的計(jì)算

3.2.1 對(duì)流受熱面氣柱固有頻率（駐波頻率）

對(duì)流受熱面氣柱固有頻率fn為^[2]

式中，n為波的階次（半波數(shù)），n=1，2，3，…；C為煙氣中的聲速，C=16.92T1/2m·s^-1；T為煙氣的絕對(duì)溫度，對(duì)流管束Ⅰ和Ⅱ通道的進(jìn)口煙氣溫度分別為1 513 K、497 K；L為通道的深度，取L=10 560 mm.

由此可得對(duì)流管束Ⅰ和Ⅱ通道進(jìn)口的氣柱固有頻率（駐波頻率）分別為31 Hz、18 Hz.

3.2.2 煙氣通道內(nèi)卡門渦流頻率

卡門渦流頻率fk為^[2]

式中，D為管子外徑，取D=51 mm；s1、s2分別為管束橫向和縱向節(jié)距，分別取90 m、170 m；St為斯脫哈羅數(shù)，由s1、s2及D可得斯脫哈羅數(shù)St=0.258；w為進(jìn)口氣流速度，對(duì)流管束Ⅰ和Ⅱ通道的氣流速度分別為16.7 m·s^-1、14.6 m·s^-1.

由此可得到對(duì)流管束Ⅰ通道和對(duì)流管束Ⅱ通道的卡門渦流頻率分別為69 Hz、60 Hz.

3.2.3 對(duì)流受熱面的振動(dòng)-煙氣通道內(nèi)管子固有頻率

煙氣通道內(nèi)管子固有頻率Wn為^[2]

式中，αn為常數(shù)，n=1，2，…時(shí)取α1=4.73，α2=7.85，…；l為管子的長(zhǎng)度；E為管子的彈性模量；ρι為單位長(zhǎng)度質(zhì)量；Ia為管子的截面慣性距.

由此，對(duì)于最長(zhǎng)（l=3 000 mm）、最短（l=2 650 mm）管子（51×3 mm），可得其固有頻率分別為15 Hz、19 Hz.

3.2.4 結(jié)果分析

由上述可知，對(duì)流受熱面煙氣通道內(nèi)卡門渦流頻率為60～69 Hz，管子固有頻率為15～19 Hz，不會(huì)在煙氣通道內(nèi)產(chǎn)生共振；而對(duì)流受熱面內(nèi)氣柱固有頻率（駐波頻率）為18～31 Hz，特別是對(duì)流管束Ⅱ通道進(jìn)口的氣柱固有頻率（駐波頻率）為18 Hz，與管子固有頻率15～19 Hz重合，可能產(chǎn)生共振.

3.2.5 原因判斷

該鍋爐對(duì)流管束斷裂事故的原因主要是設(shè)計(jì)的對(duì)流管束比較長(zhǎng)，固有頻率比較低；而對(duì)流受熱面內(nèi)氣柱固有頻率（駐波頻率）也比較低，容易產(chǎn)生管子的共振，從而發(fā)生脆性斷裂.同時(shí)由于局部焊縫偏高，可能造成過(guò)熱，使管子應(yīng)力加大，容易造成管子斷裂.

對(duì)流管束振動(dòng)情況的測(cè)試結(jié)果表明：各管的計(jì)算第1階頻率、冷態(tài)時(shí)的固有頻率和熱態(tài)時(shí)的振動(dòng)頻率非常接近，說(shuō)明在外荷載的作用下發(fā)生了共振.

4 處理措施

上述分析表明，通過(guò)改變管子的固有頻率可解決此類問(wèn)題的發(fā)生。具體采取的措施有：增加管子壁厚或半徑，這樣既可提高管子固有頻率，也可降低風(fēng)的擾頻；可增加管子之間的剛性支撐，以提高管子的固有頻率.

該鍋爐生產(chǎn)企業(yè)在每一組對(duì)流管束之間裝上縱向和橫向連接板，以增加管子的剛性，提高管子的固有頻率，降低管子的振動(dòng)幅度.同時(shí)所有對(duì)流管與鍋筒的連接嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求控制焊縫高度，并在焊后再進(jìn)行貼脹，以增加管子和管孔的接觸面積.

整改后的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，同一列對(duì)流通道的固有頻率基本一致，說(shuō)明整改取得了預(yù)期效果；通過(guò)提高對(duì)流通道的剛度，顯著提高了管子的固有頻率；整改后對(duì)流通道在100%風(fēng)速下的振動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，降幅最高達(dá)97%，極大地改善了管子的振動(dòng)特性，提高了對(duì)流通道的安全裕度.整改后鍋爐運(yùn)行情況良好，證明上述整改方案是可行的.

5 產(chǎn)生振動(dòng)的其它因素

外部的振源也會(huì)對(duì)鍋爐產(chǎn)生一定的影響.由于水管式熱水鍋爐采用強(qiáng)制循環(huán)方式，循環(huán)水泵的流量達(dá)到1 000 m3·h^-1，而水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速為960 r·min^-1，所產(chǎn)生的頻率恰好是16 Hz，如果與管子固有頻率重合，也可能引起共振.另外在燃燒器選型時(shí)，也應(yīng)充分考慮頻率的因素，盡可能避免發(fā)生共振.

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，燃?xì)鉄崴仩t是一種高效、環(huán)保的鍋爐產(chǎn)品.隨著產(chǎn)品容量不斷增大，需要開發(fā)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮影響鍋爐可靠運(yùn)行的各方面因素，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu).同時(shí)，由于焊縫尺寸精度、焊接順序以及焊接規(guī)范的應(yīng)用等會(huì)影響焊接質(zhì)量，直接增大焊接殘余應(yīng)力，加速疲勞裂紋形成和斷裂過(guò)程，這就需要鍋爐生產(chǎn)企業(yè)組織生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格按照焊接規(guī)范操作，牢牢把握產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)，為用戶提供優(yōu)質(zhì)、可靠的產(chǎn)品.

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳學(xué)俊，陳聽寬.鍋爐原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[2] 機(jī)械工程手冊(cè)電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)（第4卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.