700 MW 水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)純水系統(tǒng)橡膠膨脹節(jié)的研究與應(yīng)用

龔燎原，揭 陽，卞五洲

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

橡膠膨脹節(jié)通常稱為可曲撓橡膠接頭，是一種彈性的連接元件，具有良好的耐腐蝕性，吸收位移性能好，重量輕[1]，其內(nèi)部致密度高，能夠承受較高壓力，彈性變形效果優(yōu)異[2]，在剛性管道系統(tǒng)中設(shè)計使用的橡膠膨脹節(jié)可給管道提供必要的柔性[3]，其作用為補(bǔ)償管路徑向及軸向偏差，降噪減震。因此，橡膠膨脹節(jié)廣泛應(yīng)用于輸送水、空氣、酸、堿和油等介質(zhì)的管道連接，在發(fā)電廠、冶金、石化等行業(yè)都得到普遍應(yīng)用[4]。

某大型水力發(fā)電廠每套純水裝置各安裝有6 個橡膠膨脹節(jié)：1 號和2 號純水泵進(jìn)、出口膨脹節(jié)4 個；熱交換器進(jìn)、出口膨脹節(jié)2 個。在長期運行使用中橡膠膨脹節(jié)出現(xiàn)了各種故障，如表面裂紋、鼓包、滲水甚至破裂導(dǎo)致純水大泄漏而使機(jī)組停運。

針對橡膠膨脹節(jié)在使用過程中出現(xiàn)的問題，有必要對其進(jìn)行研究分析并提出改進(jìn)建議，以使橡膠膨脹節(jié)能更好適用于純水系統(tǒng)，提高純水系統(tǒng)的可靠性。

1 現(xiàn)有橡膠膨脹節(jié)

某大型水力發(fā)電廠純水系統(tǒng)采用的橡膠膨脹節(jié)是德國TUBOFLEX 的DN150 型橡膠膨脹節(jié)，由兩端帶橡膠凸緣的光滑波紋補(bǔ)償元件與金屬法蘭組成（如圖1、圖2 和圖3 所示），金屬法蘭采用松套結(jié)構(gòu)（如圖4 所示）。波紋補(bǔ)償元件內(nèi)外面為三元乙丙橡膠，加強(qiáng)層為合成纖維簾布加強(qiáng)夾層（如圖5 所示）。加強(qiáng)夾層一直延伸至金屬法蘭的橡膠凸緣，凸緣內(nèi)有硬鋼絲骨架（如圖5 所示），并嵌入金屬法蘭內(nèi)圈凹槽。橡膠膨脹節(jié)上下端面近似于平面，橡膠面微微凸起。橡膠膨脹節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

圖1 橡膠膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 橡膠膨脹節(jié)金屬法蘭面

圖3 橡膠膨脹節(jié)側(cè)面及螺孔

圖4 橡膠膨脹節(jié)金屬法蘭及其與波紋補(bǔ)償元件組合剖面

圖5 橡膠膨脹節(jié)波紋補(bǔ)償元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1 橡膠膨脹節(jié)關(guān)鍵參數(shù)

2 常見故障分析

膨脹節(jié)外層橡膠厚度不均勻、纖維與橡膠存在脫層等制造缺陷是導(dǎo)致橡膠膨脹節(jié)發(fā)生開裂的主要原因，同時在交變應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)的雙重作用下，橡膠發(fā)生老化，加速了橡膠膨脹節(jié)的開裂[5]。山東某火電廠由于冬季冷縮的原因，再加上管道安裝節(jié)距預(yù)留過大，橡膠膨脹節(jié)伸長長度不夠，造成脫落[6]。

在某大型水力發(fā)電廠純水系統(tǒng)共156 個橡膠膨脹節(jié)，自運行以來，因為故障導(dǎo)致更換的橡膠膨脹節(jié)數(shù)量有50 個，故障率達(dá)到32%。橡膠膨脹節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)的故障有：（1）波紋補(bǔ)償元件外表面鼓包、滲水甚至破裂；（2）波紋補(bǔ)償元件外表面裂紋。

橡膠膨脹節(jié)波紋補(bǔ)償元件鼓包、滲水與其結(jié)構(gòu)特點有關(guān)（膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1 所示），其主要原因為：

（1）純水系統(tǒng)長期運行后橡膠膨脹節(jié)金屬法蘭內(nèi)沿橡膠凸起受到磨損，或是波紋補(bǔ)償元件內(nèi)結(jié)構(gòu)不合理（如金屬骨架安裝位置不正確），高壓水流進(jìn)入波紋補(bǔ)償元件內(nèi)部，使內(nèi)部層壁分離，外表面出現(xiàn)鼓包、滲水甚至破裂；

（2）橡膠膨脹節(jié)的波紋補(bǔ)償元件內(nèi)表面出現(xiàn)細(xì)微針孔、裂紋等，導(dǎo)致高壓水流逐漸滲入內(nèi)部，使元件內(nèi)部層壁分離。

橡膠膨脹節(jié)波紋補(bǔ)償元件外表面出現(xiàn)裂紋，主要原因為：

（1）橡膠膨脹節(jié)波紋補(bǔ)償元件外層存在脫層等制造缺陷導(dǎo)致表面發(fā)生開裂；

（2）在振動與高壓水流的雙重作用下，長時間運行后橡膠發(fā)生老化，使波紋補(bǔ)償元件外表面開裂。

故障處理方法如表2 所示。

表2 橡膠膨脹節(jié)故障處理方法

純水系統(tǒng)橡膠膨脹節(jié)在運行過程中亟待解決的主要問題是橡膠膨脹節(jié)鼓包、滲水。一旦出現(xiàn)此問題，必須立即停機(jī)更換，嚴(yán)重影響純水系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)組的可靠性。而且橡膠膨脹節(jié)鼓包、滲水如發(fā)現(xiàn)不及時，很容易發(fā)展成補(bǔ)償元件破裂，導(dǎo)致純水大泄漏，機(jī)組停運。同時波紋補(bǔ)償元件的材質(zhì)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)也對橡膠膨脹節(jié)的使用壽命有很大影響。

3 改進(jìn)思路

通過對純水系統(tǒng)現(xiàn)有橡膠膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)與其鼓包、裂紋等故障的原因分析，我們從以下幾方面提出改進(jìn)方法：

（1）擴(kuò)大金屬法蘭內(nèi)沿橡膠面積，使內(nèi)沿橡膠面覆蓋整個金屬法蘭端面（如圖6 所示）。因橡膠膨脹節(jié)金屬法蘭內(nèi)沿橡膠面是該裝置設(shè)計最為薄弱的部位，改進(jìn)后可使橡膠膨脹節(jié)金屬法蘭內(nèi)沿橡膠面受到的壓力分散到整個端面上，降低其因應(yīng)力分布不均而破損的機(jī)率；

圖6 橡膠膨脹節(jié)改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)示意圖

（2）增加加強(qiáng)層合成纖維簾布的層數(shù)，足夠密集的合成纖維簾布層可防止因材質(zhì)質(zhì)量或結(jié)構(gòu)的不足而導(dǎo)致?lián)p壞；

（3）在橡膠膨脹節(jié)與管路法蘭之間加一個導(dǎo)流管（如圖7 所示），避免高壓水流直接沖擊橡膠膨脹節(jié)端部橡膠面。由于導(dǎo)流管將直接加裝在管路內(nèi)，一旦破損可能難以被發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致嚴(yán)重后果，所以此改進(jìn)措施需待進(jìn)一步研究和試驗。

圖7 加裝導(dǎo)流管后的橡膠膨脹節(jié)

4 新型橡膠膨脹節(jié)

按照以上思路進(jìn)行考慮以后，在現(xiàn)有橡膠膨脹節(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型橡膠膨脹節(jié)，以更好地滿足要求，新型橡膠膨脹節(jié)關(guān)鍵參數(shù)如表3 所示，設(shè)計圖如圖8 所示。

表3 新型橡膠膨脹節(jié)關(guān)鍵參數(shù)

圖8 新型橡膠膨脹節(jié)設(shè)計圖

新型橡膠膨脹節(jié)外型在軸向、徑向尺寸上與現(xiàn)用型號一致，可直接安裝到純水系統(tǒng)管路上，其位移量也完全滿足管路要求。且橡膠膨脹節(jié)的兩個金屬法蘭端面完全被橡膠覆蓋，確保法蘭面平整。

內(nèi)外面為三元乙丙橡膠，該橡膠耐酸堿、耐腐蝕，使用溫度范圍為-50～150℃，抗耐性能較好。

加強(qiáng)層為合成纖維簾布，原14～16 層合成纖維簾布增至為16～25 層簾布，設(shè)計承受水壓從純水泵10 bar（約1.0 MPa）工作泵壓提高至16 bar。該材料強(qiáng)度較好，具備彈性，可更好地吸收各種震蕩。

當(dāng)前，通過與國內(nèi)廠家合作，已得到了通過國標(biāo)認(rèn)證的新型橡膠膨脹節(jié)原型（如圖9 所示）。并將該型橡膠膨脹節(jié)安裝至純水系統(tǒng)純水泵出口管路，進(jìn)行水壓試試驗及試運行試驗，迄今未發(fā)現(xiàn)有任何異常情況。新型橡膠膨脹節(jié)在此期間表現(xiàn)良好。

圖9 新型膨脹節(jié)及現(xiàn)場安裝圖

5 結(jié)語

本次研究應(yīng)用改進(jìn)現(xiàn)用的橡膠膨脹節(jié)，不僅能有效降低橡膠膨脹節(jié)出現(xiàn)故障的幾率，提高純水系統(tǒng)運行時可靠性，減少維護(hù)人員的工作量，而且能降低維護(hù)成本，創(chuàng)建較大的經(jīng)濟(jì)效益。主要結(jié)論如下：

（1）延長橡膠膨脹節(jié)的使用壽命，減少檢修人員更換油封的維護(hù)工作量；

（2）減少更換橡膠膨脹節(jié)的頻率，從而減少橡膠膨脹節(jié)及相關(guān)密封墊采購數(shù)量，降低純水系統(tǒng)維護(hù)成本；

（3）減少因更換橡膠膨脹節(jié)導(dǎo)致的機(jī)組停運次數(shù)，間接增加機(jī)組運行時間，提高經(jīng)濟(jì)效益。