超臨界鍋爐減溫器噴管斷裂分析及對策

李鵬新笪耀東董本萬

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.焦作鍋爐壓力容器檢驗所 焦作 454000）

超臨界鍋爐減溫器噴管斷裂分析及對策

李鵬新1笪耀東1董本萬2

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.焦作鍋爐壓力容器檢驗所 焦作 454000）

本文介紹了超臨界電站鍋爐較多采用的噴管懸臂式減溫器的結構形式，列舉了近年來該結構形式的減溫器發生噴管斷裂的多個案例，對其缺陷特點進行了說明，并從設計、制造和運行等方面分析了該問題產生的原因，提出了改進措施，這些措施已應用在了不同的電廠。結果表明，改進結構后的減溫器成功的解決了噴管斷裂的問題，運行效果良好。

減溫器 噴管 斷裂 對策

減溫器是電站鍋爐用來調節主蒸汽溫度及鍋爐左、右側蒸汽汽溫偏差的承壓部件。近年來，在超臨界電站鍋爐的定期檢驗中，發現多家運行時間不超3萬h電站鍋爐存在噴水減溫器噴管斷裂的問題。噴管斷裂會引起減溫器筒體的開裂或泄漏事故，威脅到電廠設備和人員安全，因此應引起足夠的重視。

統計發現，在噴水減溫器中，噴管斷裂的問題數量較大，具有普遍性。部分電廠采用更換噴管的方案對損壞的減溫器進行了修理，運行一段時間后對減溫器復檢，發現新更換的噴管很快也出現類似的問題[1]。因此，分析產生減溫器噴管斷裂和焊縫裂開的原因并提出改進措施就顯得勢在必行。

1 噴水減溫器結構介紹

鍋爐蒸汽減溫器的結構形式有多種型式。本文僅介紹在超臨界電站鍋爐中，經常發生缺陷的噴水減溫器，其結構如圖1所示。

根據鍋爐設計，噴水減溫器用于超臨界鍋爐的一、二級過熱器減溫器。減溫器噴管一端與減溫水管座焊接在一起，另一端為自由懸空。一、二級過熱器筒體材質分別為SA-335P12、SA-335P91，噴管材質均為SA-335P12。

圖1 噴管懸臂支撐式減溫器

過熱器一級減溫器位于低溫過熱器出口集箱與屏式過熱器進口集箱的連接管上，過熱器二級減溫器位于屏式過熱器與高溫過熱器進口集箱的連接管上。減溫器噴管上背向氣流側均布多排小孔，自小孔噴出減溫水迅速霧化，與減溫器套筒內的高溫蒸汽進行充分混合，達到降低汽溫的目的，減溫幅度通過調節噴水量進行控制。一級減溫器是過熱蒸汽溫度的主要調節手段，二級減溫器可用來調節高溫過熱器溫度及鍋爐兩側蒸汽溫度的偏差，使過熱蒸汽出口溫度維持在設定值范圍內。

2 減溫器缺陷情況及特點

通過對多家電廠不同結構形式減溫器的檢驗和比較，發現噴管斷裂或焊縫開裂的問題多發生在噴水減溫器中，且靠近噴管固定端。以下為噴水減溫器噴管損壞問題的典型案例。

1）2011年1月對某電廠超臨界電站鍋爐進行內部檢驗時發現過熱器二級減溫器噴管根部開裂，實物圖如圖2所示。該減溫器筒體材質SA-335P91，規格為φ495.3mm×70mm，鍋爐運行約9500h。

圖2 過熱器二級減溫器噴管斷裂實物圖

2）2011年4月對運行時間約10500h的某電廠超臨界電站鍋爐進行內部檢驗時，發現該鍋爐左、右側過熱器一級減溫器噴管根部斷裂，爐右側過熱器二級減溫器噴管根部斷裂，噴管根部斷裂實物圖如圖3所示。一級減溫器套筒材質為SA-335P12，規格為φ508mm×88mm，二級減溫器套筒材質為SA-335P91，規格為φ508mm×78mm。

圖3 減溫器噴管根部斷裂圖

3）2012年5月，對某電廠運行時間不足5000h超臨界電站鍋爐進行內部檢驗時發現鍋爐左、右側材質為SA-335P91，規格為φ495.3mm×70mm的過熱器二級減溫器噴管根部斷裂，且鍋爐左側過熱器二級減溫器噴管套管固定焊縫開裂，噴管限位塊磨損。

3 原因分析

3.1 存在設計缺陷

由于沒有對噴管的懸空端進行限位，噴水減溫器受力模型為懸臂梁結構，在力的作用下，懸臂梁結構會產生較大的彎矩。在鍋爐運行中，懸臂梁結構的噴管受高壓蒸汽沖擊后懸空端向蒸汽流動方向偏移，并且偏移量較大，作用于減溫器噴管固定端。懸空端偏移量越大，對噴管根部的作用力越大，而減溫器在高溫高壓環境下工作，能夠使噴管懸空端發生較大偏移[2]。同時減溫水的投用，又使噴管受到反向力的作用，這樣就有交替變化的破壞力作用于噴管根部，使噴管容易從根部開裂以致斷裂。目前減溫器噴管的材質，多采用12Cr1MoVG，相對于SA-335P91材料而言，強度較低。另外噴管根部與管座連接的的加工角度是垂直的，隨著交變應力的作用，易在根部表面產生裂紋。

3.2 存在制造缺陷

按照減溫器設計，在減溫水管座的內壁焊接一段內套管，并在噴管表面沿蒸汽流向和蒸汽流向的垂直方向對稱焊接四個限位塊與套管緊密配合，對噴管套筒進行限位，達到減小噴管在運行狀態下擺動的目的。在鍋爐內部檢驗過程中發現，噴管套筒的這些限位塊與套管的配合間隙普遍較大，在減溫器運行中不能有效減小噴管懸空端擺動。況且限位塊面積較小，與套管的接觸面小，噴管的震蕩對限位塊產生碰磨，隨著運行時間的延長，限位塊磨損也會加大，這樣增大了限位塊與套管的配合間隙。

3.3 運行環境惡劣

減溫器投入運行后，隨著高溫高壓蒸汽的沖擊、蒸汽壓力的變化、減溫水的投退以及減溫水壓力的變化，噴管懸空端處于向蒸汽流動方向偏移并不斷震蕩的狀態，噴管固定端承受著巨大的剪切應力作用。因運行環境惡劣，應力集中較大的根部易開裂直至斷裂，部分減溫器甚至在很短的運行時間內即產生缺陷。此外，處于高溫蒸汽和低溫減溫水介質中的噴管，在運行中產生溫差應力，也加速其破壞過程的進行。

4 減溫器結構的改進

鑒于懸臂式噴水減溫器在多個電廠出現相同的缺陷問題，筆者認為在惡劣工況下減溫器結構設計形式存在不足是造成噴管斷裂問題的主要原因，對此向電廠提出了優化設計的建議。電廠委托鍋爐制造廠家對減溫器結構形式進行改進，鍋爐廠通過多次試驗分析，仿真設計，決定對噴管結構進行改進，將原來的懸臂梁結構改為兩端支撐的簡支梁結構，以避免懸臂梁結構存在較大剪切應力時產生的巨大破壞作用[3]。新改進的減溫器結構圖如圖4所示。

圖4 噴管簡支梁支撐式減溫器

5 結束語

減溫器噴管斷裂是近些年來鍋爐運行過程中經常發生的缺陷。結構改進后的減溫器，經過近兩年的運行后進行復檢，未再發現減溫器噴管斷裂的問題。由此可見，在設計方面未能對減溫器噴管懸空端的振蕩偏移量進行有效控制是產生該缺陷的根源，同時制造工藝配合公差過大、質量控制不嚴也為該缺陷的產生起到了促進作用。從源頭上進行有效的改進和控制，是消除事故隱患，保證減溫器安全運行的長效方法，也是避免電廠對此類缺陷反復檢修造成經濟損失的根本途徑。

1 劉峰,閆凱平,仝亞峰,等.600MW機組鍋爐減溫器斷裂原因分析及改進措施[J].技術交流,2007.5:87～88.

2 洪文健,胡華盛.鍋爐減溫器構件開裂分析[J] .機電工程技術,2009.2:92～95.

3 寧德亮,李家鵬,龐鳳閣.新型噴水減溫器的結構設計[J] 應用科技 2005.10:62～64.

4 徐建華,等.電站鍋爐的超溫現象的檢驗與防護[J].中國特種設備安全,2010,26(3):38～40.

5 周奎應.超臨界機組從基建到投產鍋爐“四管”防止[J].中國特種設備安全,2010,26(6):68～70.

6 于沛東，等超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮分析及防治[J].中國特種設備安全,2013,29(4):45～46.

7 藏秀君.300MW機組鍋爐爆管原因分析[J].中國特種設備安全,2013,29(7):57～58.

8 王明庭.鍋爐高溫過熱器數次爆管后的檢驗[J].中國特種設備安全,2013,29(7):65～66.

9 楊軻,等.電站鍋爐主要部件典型外壁腐蝕問題[J].中國特種設備安全,2010,26(12):61～63.

10 李秦.電站鍋爐減溫器缺陷的檢驗與分析[J].中國特種設備安全,2010,26(5):60～63.

11 糜亮,等.電站鍋爐水冷壁和過熱器爆管分析[J].中國特種設備安全,2013,29(11):51～52.

Analysis and Improvement Measures of Nozzle Fracture of Desuperheaters Used in Supercritical Power Plant Boilers

Li Pengxin1Da Yaodong1Dong Benwan2
(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2.Jiaozuo Boiler & Pressure Vessel Supervision and Inspection Institute Jiaozuo 454000)

This article described the formal structure of nozzle cantilevered desuperheater often used in supercritical power plant boilers, and listed several cases of nozzle in fracture occurred in desuperheaters of the structure in recent years, whose defect features were described in this paper. Reasons of the problem were analyzed in terms of design, manufacture and operation, and improvement measures were proposed, which had been adopted by different plants. The results showed that desuperheaters with the improved structure successfully solved the problem of nozzle fracture and ran well.

Desuperheater Nozzle Fracture Improvement measures

X928.3

B

1673－257X(2014)11－70－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.020

李鵬新(1972～),男,高級工程師,從事電站鍋爐檢驗檢測與研究工作。

2014-07-23）