600MW機組熱一次風道補償器開裂原因分析及處理

王 晨，岳樹祥

(1.華北電力大學，北京 102206;2.神華河北國華滄東發電有限責任公司，河北 滄州 061110;3.河北省電力建設第一工程公司，石家莊 050031)

神華河北國華滄東發電有限責任公司(簡稱“滄東電廠”)1 號、2 號機組為600 MW 火電機組，鍋爐為SG2028/17.5-M909 型亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、Π 型布置、四角切圓燃燒、平衡通風、全封閉、固態排渣、強制循環汽包型燃煤鍋爐，燃料為神府東勝煤。鍋爐配備6 臺各55%容量的送、引風機和一次風機。6 臺磨煤機設計為5 臺可帶額定負荷運行，另外1 臺備用。在額定工況下，過熱器出口溫度為540 ℃，再熱器的進/出口溫度為323 ℃/540℃。配備2 臺三分倉容克式空氣預熱器，一、二次風間隔布置，一次風分倉為50°，轉子反轉，立式布置，空氣預熱器一次風出口溫度BMCR 工況為309 ℃，運行中風壓約為9 kPa。

1 故障情況

為補償空氣預熱器及出口熱一次風道在運行中產生的三向位移，在空氣預熱器一次風出口風道上裝有2 只非金屬補償器。非金屬補償器壽命取決于使用的介質及工況條件，特別是在高溫高壓條件下，強度低、易老化缺點尤其突出。滄東電廠1 號、2 號鍋爐空氣預熱器熱一次風出口軟連接多次出現破裂泄漏。空氣預熱器熱一次風出口非金屬補償器一旦出現泄漏，由于泄漏的熱風壓力較大、溫度較高，會很快導致周圍表面蒙皮失效出現裂紋(蒙皮內部有玻璃布包裹硅酸鋁保溫棉，外套不銹鋼絲網作為隔熱層，蒙皮表面溫度一般小于50 ℃)，裂紋迅速循環擴大，輕則解列一次風機，降負荷處理，重則必須停機處理，損失較大。泄漏的熱風還會損壞周圍電纜、空氣預熱器軸承等其他設備，存在消防隱患，對設備安全構成嚴重威脅。

2 原因分析

經檢查發現，1 號、2 號機組熱一次風道熱態時非金屬補償器曾開裂，1 號、2 號、3 號、4 號剛性吊架吊桿存在不同程度的松弛(即支吊架失載)，如圖1、圖2所示。

圖1 非金屬補償器開裂示意

圖2 1、2 號機組熱一次風道支吊架及補償器布置

經分析認為，AD 段風道在熱態時會發生軸向熱膨脹，由于1a 號支吊架為固定支架，風道在D 處垂直方向的膨脹量為0，則CD 段熱態時向上熱膨脹;對于風道AB 段而言，由于1 號支吊架為剛性吊架，風道在A 處垂直方向的膨脹量為0，則風道AB段熱態時向下熱膨脹。原設計的1 號非金屬補償器主要是用來吸收風道AB 段及CD 段的熱膨脹，并要求風道AB 段及CD 段的熱膨脹量之和在原設計補償器的吸收范圍之內，但現場檢查發現該處補償器實際吸收的變形量小于風道AB 段及CD 段的熱膨脹量之和，且熱態時補償器外表面很硬，即補償器未能將風道AB 段及CD 段的熱膨脹量全部吸收，則未被吸收的熱膨脹將風道AB 段向上“頂起”，導致1號、2 號支吊架失載，1 號、2 號支吊架的載荷又傳遞至1 號補償器上，最終導致1 號補償器撕裂。同理，2 號補償器未能完全吸收風道EF 段及GH 段的熱膨脹之和時，則3 號、4 號支吊架失載，3 號、4 號支吊架的載荷又傳遞至2 號補償器上，最終導致2 號補償器撕裂。因此，熱一次風道補償器撕裂及剛性支吊架失載的根本原因是1 號、2 號補償器性能不佳，未能完全吸收風道的熱膨脹所造成的。

熱一次風設計壓力為12.49 kPa，設計溫度為305℃，1 號補償器規格為2 790 mm×4 238 mm，2 號補償器的規格為2 400 mm×2 000 mm。為了分析補償器及支吊架異常的原因，以DH 段管道為對象進行受力分析，這段管道受到的外力有以下4 個。

a.由于內壓作用產生的推力方向向上，大小由F=P×A 確定［1］，其中，A 為波紋管有效面積，P 為管系壓力。當機組停運時P=0，推力F=0;當機組運行時F=(2.79 m×4.238 m+2.4 m×2 m)×12.49 kPa=207.63 kN。

b.風道自身重力，方向向下，DH 段的總重量為14 446 kg。

c.支吊架載荷。

d.2 個非金屬補償器對管道的約束力。

根據平衡原理，在垂直方向上風管所受合力為0。機組停運時，非金屬補償器處于松弛狀態，不提供約束力，1—4 號支吊架總載荷等于此段風道的自重。機組運行狀態下，由于向上的推力比向下的風道重力大63 kN，但剛性吊架只能提供向上的力，所以管道被向上推起，這63 kN 向下的力就只能由處于拉伸狀態的補償器來提供。驗證了為什么機組運行時非金屬補償器沒有按設計發生壓縮而是拉伸。

非金屬補償器主要由蒙皮、不銹鋼絲網、隔熱棉、隔熱填料層、機架、擋板等6 個部分組成，典型結構見圖3。非金屬補償器的蒙皮由聚四氟乙稀、氟橡膠布、玻璃纖維布等材料制成，柔性很大，這類材料長期在拉伸力的作用下產生應力腐蝕。另外，當非金屬補償器處于拉伸狀態時，填在蒙皮與擋板之間的保溫棉會產生縫隙，保溫效果下降，風道內的熱風很容易加速蒙皮內橡膠材料的老化，使蒙皮產生微裂紋，進而開裂失效［2］。

圖3 非金屬補償器典型結構

3 處理措施

綜上所述，為了解決1 號、2 號機組空氣預熱器出口熱一次風道非金屬補償器的開裂問題，可將非金屬補償器改為可承受壓力推力的三維矩形金屬補償器。目前國內外在溫度、壓力較高或有耐腐蝕要求的火電廠、水泥廠、鋼廠、熱網等煙風塵管道惡劣的環境下，使用金屬補償器。金屬補償器(矩形)不受其長、短邊固有尺寸的影響，承壓效果遠遠優于非金屬補償器，抗老化、耐腐蝕性能及疲勞使用壽命大于非金屬補償器。綜合考慮，將1 號、2 號機組熱一次風管道的非金屬補償器更換為金屬補償器。通過準確的計算和選型，選用三維矩形金屬補償器，其既能滿足三向位移膨脹，又能保障在高溫高壓下的使用壽命和強度。

1 號、2 號機組熱一次風道1 號、2 號補償器吸收的變形量如表1所示，選擇補償器時，3 個方向的變形量均應在表1數據基礎上乘以1.2 倍。

表1 1 號、2 號機組熱一次風道非金屬補償器變形量

4 處理效果

在1 號、2 號機組C 級檢修中完成了熱一次風道金屬補償器的更換，至今運行良好，徹底消除了空氣預熱器熱一次風出口風道一直存在的剛性吊架嚴重失載缺陷。新補償器在運行中完全吸收空氣預熱器及風道疊加后的復合三向位移，避免了原補償器存在的易老化、撕裂、破損等隱患。新補償器采用316L 材質，有效的抵御室外鹽霧腐蝕，大大延長使用壽命，同時避免了空氣預熱器的額外二次用力，保證了設備安全運行。

5 結束語

非金屬補償器雖然補償效果好，但在高溫、高壓、存在腐蝕介質工況下使用效果不佳，承壓效果差、易破損開裂、易老化，容易造成漏風等現象，且在安裝時易劃傷蒙皮留下隱患，其適用于低溫或低壓條件。此次將原非金屬補償器更換為金屬補償器為鍋爐熱一次風道補償器改造積累了經驗，給技術人員提供了參考。

［1］查爾斯·貝赫特Ⅳ.工藝管道ASME B31.3 實用指南［M］.2版.陳登豐，秦叔經譯.北京:化學工業出版社，2006.

［2］ASTM F 1123－1987(2010)，Standard Specification for Non-Metallic Expansion Joints［S］.