凝汽器換熱管斷裂損傷分析與綜合防治

陳 杰

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凝汽器換熱管斷裂損傷分析與綜合防治

陳 杰

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

凝汽器是電站汽輪機組中重要的換熱設備，換熱管斷裂損傷是其主要故障模式，嚴重影響機組可靠運行。本文針對某電站凝汽器故障問題，通過分析換熱管調試階段和商業運行階段的斷裂損傷情況，逐一排查可能的致傷原因，最后確定此次事故為流體彈性激振誘發的疲勞斷裂，而廠家對凝汽器設計的安全裕度考慮不足，理論設計與現場實際產生了偏差，是導致換熱管發生非預期斷裂損壞的根本原因。針對換熱管斷裂損傷時的運行工況和損傷區域，提出加裝防振條、局部區域預防性堵管、仿真計算與應變測量等一系列綜合防治措施，可有效降低換熱管斷裂損傷的風險，提高凝汽器設備的可靠性。

凝汽器；換熱管；斷裂；流體彈性激振；理論分析；綜合防治

凝汽器是電站汽輪機組中重要的換熱設備，換熱管束是凝汽器中的核心部件，對換熱功能的實現意義重大[1-3]。凝汽器換熱管斷裂損傷是影響其功能實現的主要故障模式，嚴重影響機組可靠運行。本文針對某電站凝汽器故障問題，提出了一系列綜合防治措施，以期為同類機組提供借鑒。

1 系統設備及故障問題

1.1 系統概況

某電站安裝2臺百萬kW等級單軸中間再熱凝汽式半速汽輪機組，每臺機組配備2臺獨立的單背壓單流程表面式凝汽器。凝汽器采用整體落地式，通過臺板支撐錨定在基礎上，凝汽器的上喉部與汽輪機低壓外缸通過焊接剛性連接，因此在熱脹冷縮過程中，汽輪機外缸與凝汽器一體化膨脹和收縮移動；而汽輪機內缸與外缸通過橡膠軟密封連接，內缸直接落在軸承座上，外缸的變化不影響內缸定位，這避免了凝汽器真空及外缸的變化對內缸的影響，有益于保持汽輪機轉子和內缸隔板密封之間的動靜間隙穩定性及減少對振動產生不利影響。

每臺凝汽器分別有A/B列2個換熱模塊，2臺凝汽器共有4個換熱模塊（圖1），從汽輪機高壓缸向發電機的方向，依次命名為1A2B3A4B 模塊。

圖1 凝汽器模塊分布

1.2 換熱管斷裂損傷問題

1.2.1 調試階段

調試階段A機組在進行100%功率平臺汽輪發電機甩負荷至空載試驗后的重新啟機過程中，發生凝汽器換熱管斷裂冷卻水泄漏問題，機組被迫停運。打開凝汽器水室查漏時發現1A水室頂層有2根換熱管發生泄漏。拔管檢查時，發現其中一根泄漏管上其實有2個位置存在缺陷，一處在距離入口管板9 m左右的位置，換熱管完全斷裂（圖2）；另一處在距離入口管板7 m左右的位置，換熱管存在裂口（圖3）。另一根斷管的缺陷經確認也是在距離入口管板7 m的位置，換熱管存在裂口。根據這2根斷管的3個斷口位置與支撐板的跨距的對比計算，發現斷口均位于跨距中間區域。

這2根斷管是表層管，存在異物砸傷的風險。據現場檢查發現，這2根缺陷管雖處于表層，但上面罩有結構件，亦即排除異物砸傷的可能。

圖2 距入口管板9 m處斷口

圖3 距入口管板7 m處裂口

此外，在凝汽器1A和4B模塊的頂部表層管 及第2指縫表面管發現了換熱管之間摩擦的痕跡（圖4）。摩擦痕跡主要位于換熱管軸向總長度的中間跨區域（圖5），摩擦的方向垂直于換熱管的軸向，呈間斷式發亮條帶。摩擦痕跡比較嚴重的是表層管，一些區域第2層及第3層管相互之間也存在摩擦的情況，有的表層管及第2層管與周圍的表層管均有摩擦痕跡，顯示換熱管的運動軌跡是旋轉的。

圖4 摩擦痕跡

圖5 摩擦點在管束中位置

針對現場檢查的情況，在1A/4B模塊采取了預防性堵管和加裝防振條等防范措施。

1.2.2 商業運行階段

機組商業運行后，換熱管斷裂泄漏問題重復出現。發生斷裂問題的換熱管均在3A/2B模塊，而并非此前做了防范的1A/4B模塊。其中，在3A模塊中發現靠近汽輪機側的第2、第3管指之間的第2指縫中，第3指的迎汽面有4根換熱管存在泄漏；在2B模塊中發現靠近發電機側的第2、第3管指之間的第2指縫中，第3指的迎汽面有2根換熱管存在泄漏（圖6）。利用內窺鏡檢查3A、2B水室泄漏部位，結果顯示換熱管的斷口平齊，且全部在換熱管支撐板的中間段。針對新的斷管異常發生的模塊區域進行補充修正和完善。根據目前掌握的經驗，主要對4個模塊的管束頂部表層，1、2指縫的迎風面和指底區域表層進行重點防范。

圖6 模塊2B泄漏管位置

2 換熱管斷裂損傷原因排查分析

一般情況下，產生換熱管斷裂問題的原因主要包括異物砸傷、汽流沖刷減薄、換熱管腐蝕、換熱管共振、管束震顫等[4-7]。

2.1 誘因初步排查

機組調試階段及商運后的失效換熱管均進行了斷口金相檢查，換熱管管材是鈦。從檢查分析情況來看，斷口處沒有凹陷、明顯減薄和腐蝕情況，且斷裂位置在支撐板跨距中間部分，排除了異物砸傷、汽流沖刷減薄、換熱管腐蝕等方面的原因，屬于比較明顯的疲勞斷裂[8-11]。

2.2 換熱管共振分析

共振問題與汽輪機組的工頻、倍頻及換熱管的固有頻率相關。一般來講一階振動危害較大，要求在設計時頻率避開率為25%，按照兩端管板處固定、支撐板處簡支來設定邊界條件，計算公式為

式中，為換熱管的固有頻率，為換熱管的實際跨距，為換熱管的彈性模量，為換熱管的慣性矩，為滿水換熱管的單位長度質量。

現場有2種壁厚的換熱管，采用凝汽器設計常用的配置方式，即設計汽流速度較快的一些區域采用壁厚0.7 mm的厚壁管，其他均為壁厚0.5 mm的薄壁管，2種壁厚的換熱管一階固有頻率計算結果分別為78.1、69.5 Hz，這遠遠避開了汽輪機組的工頻及2倍頻。另外，共振引發的斷管位置主要在支撐板處，而前述換熱管斷裂位置基本位于支撐板跨距中間區域，可見共振并非引起換熱管斷裂的原因。

根據現場檢查情況，重點懷疑流體彈性激振是引起此次換熱管斷裂損傷故障的原因。

3 流體彈性激振分析與校核計算

3.1 流體彈性激振分析

在凝汽器設計和實際運行中，流體彈性激振是重點關注和研究因素。相關理論和實踐表明，流體彈性激振是威脅換熱管束安全的最主要因素。這種振動的特點是：每個凝汽器設計中都會有基于管束結構尺寸、材料性能和工況蒸汽參數等的不同臨界流速，當某工況下蒸汽的實際汽流速度小于臨界流速時，換熱管的振動狀態平穩；而當實際蒸汽流速大于臨界流速時，換熱管的振動會迅速惡化，幅度會急劇增加，嚴重時會發生相鄰換熱管之間的接觸碰摩。上述事件調查獲得的摩擦痕跡也印證了這一點。隨著疲勞應力的增加和運行時間的延長，在薄弱的地方萌發裂紋，進而導致整根換熱管的開裂。

3.2 流體彈性激振計算

流體彈性激振通用計算公式為Connors公式：

式中：c為臨界流速，汽流速度超過此速度將引起換熱管響應振幅迅速增大；為換熱管的一階固有頻率；為換熱管的外徑；c為Connors系數，即流體彈性不穩定系數；為滿水換熱管單位長度質量；為對數衰減系數；為換熱管外蒸汽密度。

通過Connors公式可以計算換熱管的臨界流速。影響計算結果的一個重要因素是Connors經驗系數c的選取，表1為一些經驗選取標準。

表1c選取標準

Tab.1 The selection criteria for Kc

從式(2)可以看到，經驗系數c選取越大，臨界流速越高，即允許的蒸汽流速越大，計算越偏不保守，因此選取一個合適的c很重要。

Connors公式中對數衰減系數的計算公式為

式中：為跨數；b為支撐板厚度；sp為支撐板跨距，和c共同對臨界流速進行修正計算，從而確定合適的跨距。

HEI標準里提供了計算跨距的方法，即根據經驗公式（式(4)）計算出音速情況下的蒸汽比熱容：

式中，s為排汽比熱容，為排汽面積，k為汽輪機排汽流量。

根據式(4)計算出的蒸汽比熱容，在水蒸汽表中查出對應的飽和壓力，再按HEI標準10版中的基本跨距與壓力關系曲線，根據橫坐標的飽和壓力查出允許的縱坐標基本跨距。

最大允許跨距sp1計算公式為：

式中：u為未修正的基本跨距；sp為修正后跨距；sp1為最大允許跨距；1、2、3分別為3個修正系數，選取自HEI標準10版。

3.3 流體彈性激振控制指標

目前避免產生流體彈性激振的控制指標[15-18]主要有以下3個。

1）換熱管的風險系數 根據流體彈性激振的基本定義，風險系數即當地實際流速與臨界流速的比值，應不大于1，考慮廠家的修正系數則為不大于0.64，即：

式中：為風險系數；a為當地實際流速，根據不同工況下管束上方1 m處的凝汽器平均蒸汽速度，乘以經驗放大系數得到的換熱管表面的蒸汽流速作為當地實際流速。

從設計數據看，廠家按1.35倍計算最大實際流速。這個局部放大系數是否足夠保守是分析裕量是否充足的一個主要考慮因素。

2）換熱管的負荷因子 換熱管的負荷因子是表征換熱管跨距設計選擇是否合理的一個重要指標。跨距越長，對應的臨界流速越低，當臨界流速降低到當地實際流速時，將會發生流體彈性激振。因此，跨距應小于當臨界流速等于當地實際流速時對應的跨距，此時的換熱管負荷因子為1，表明換熱管處于比較危險的狀態。

3）換熱管的振幅 換熱管的振幅也是表征換熱管安全狀態的一個重要指標。振幅越大，應力越大，換熱管發生斷裂損傷的風險也越大。

3.4 校核計算及分析說明

按照相關安全準則計算得到發生斷裂問題的參數，結果見表2。

表2 發生斷裂問題的參數

Tab.2 Parameters for the occurrence of fracture problems

由表2可見：在設計范圍內的各種工況，換熱管的風險系數均不大于1（修正后的0.64），負荷因子也均小于1，即換熱管的結構尺寸及凝汽器的熱力參數的匹配符合廠家設計要求，換熱管理論上不會受流體彈性激振問題影響；換熱管的振動幅度小于HEI標準要求的管間橋距1/3，也是合格的。但根據現場實際檢查的情況來看，換熱管之間發生了接觸碰摩情況，說明部分換熱管的振動幅度至少是大于1/2管間橋距。如果換熱管表面有焊接影響區的質量偏差或碰摩產生的質量薄弱點，則會成為換熱管疲勞開裂的萌發位置[19-20]。

在換熱管風險系數、負荷因子的安全系數及換熱管振幅均滿足設計要求的情況下發生了換熱管斷裂故障，且事故工況尚未達到設計考慮的最高負荷和最低溫度，由此判斷，凝汽器設計的安全裕度考慮不足，理論設計與現場實際產生了偏差，是導致換熱管發生非預期斷裂損壞的根本原因。

4 綜合防治措施

4.1 加裝防振條

根據上述分析，減少換熱管流體彈性激振的影響是解決換熱管斷裂損傷的關鍵。為此，現場將一種厚度約為2 mm、長度為400/800/1 500 mm等幾種規格的防振條插入換熱管之間軸向支撐板跨距中部位置，撐在換熱管之間，相當于增加了部分支撐板，減小了跨距，也避免了換熱管中間部位的相互摩擦，實際驗證效果良好。

加裝防振條這一措施雖然很有效，但加裝區域比較難以判別。依靠目前對凝汽器的流場分析和認識，還很難準確判斷蒸汽流速高、風險大的區域。而在整個管束區都進行加裝也不太現實：一方面有些區域限于空間等各方面因素無法安裝，另一方面全部安裝成本也較高。由于運行工況的不同，高流速蒸汽的影響區域發生變化，原來防范區域之外的換熱管可能再次出現斷管。因此，只能在發生斷裂和有摩擦痕跡換熱管的位置區域基礎上進行防振條反饋擴展加裝。

4.2 局部區域的預防性堵管

局部區域的預防性堵管是目前主要采用的補充防治措施。針對有些風險區域無法加裝防振條問題，進行預防性堵管后可以避免振動斷管導致降負荷或停機。在拆堵頭檢查預防性堵管的換熱管中，已經發現斷管情況。根據換熱管的振動公式分析，振幅計算中的質量因子可以消掉，因此堵管后并沒有改變換熱管的振動狀態，振幅也沒有明顯增加或減少，但是控制了斷管所帶來的后果。

4.3 仿真計算與應變測量

為了加強對凝汽器內部流場情況的了解，進一步識別風險區域，以便采取必要的措施進行防范，準備采用三維仿真的方法對凝汽器內流場進行計算分析。但其成熟度和準確度還需要驗證。同時，也考慮進行凝汽器內的換熱管應力測量，通過外部模擬與內部實測對比的方式，驗證仿真計算結果。

5 結 論

1）流體彈性激振是導致凝汽器換熱管斷裂的主要因素。

2）通過采取加裝防振條、預防性堵管等措施，能夠有效地減少斷管故障的發生，減輕斷管對機組運行的影響。

3）利用計算軟件對凝汽器內部流場進行數值模擬，對換熱管進行應力測量，可以更好地識別風險區域，以便采取更加有效的防范措施，真正持續提升凝汽器及機組運行的可靠性。

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Analysis and comprehensive prevention of fracture damage in condenser heat exchanger tube

CHEN Jie

(Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)

Condenser is an important heat exchanger device in power plant steam turbines, and fracture damage of heat exchanger tube is its main failure mode, which seriously affects the reliable operation of the unit. Aiming at solving the problem of condenser failure in a power station, by analyzing the fracture damage of the heat exchanger tube during commissioning and commercial operation stages, the possible causes of the damage are investigated one by one. Finally, the fatigue fracture induced by hydro elastic excitation is considered as the major reason. In fact, the safety margin of the condenser design is insufficiently considered by the manufacturer, and the deviation between theoretical design and field practice results is the primary cause for the unexpected fracture damage. Against the operation condition and damage area of the heat exchanger tube when it is damaged by fracture, a series of comprehensive prevention measures are put forward, such as installing the anti-vibration strip and preventive blockage in local area, and carrying out simulation calculation and strain measurement, which can effectively reduce the risk of the heat exchanger tube fracture damage and improve the reliability of condenser equipment.

condenser, heat exchange tube, rupture, fluid elastic excitation, theoretical analysis, comprehensive renovation

TK268.+1

B

10.19666/j.rlfd.201901039

陳杰. 凝汽器換熱管斷裂損傷分析與綜合防治[J]. 熱力發電, 2019, 48(6): 115-120. CHEN Jie. Analysis and comprehensive prevention of fracture damage in condenser heat exchanger tube[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 115-120.

2019-01-30

陳杰(1968—)，男，高級工程師，主要研究方向為電廠設備運行維護和技術管理，chenjie@cgnpc.com.cn。

（責任編輯 劉永強）