低温过热器爆管分析

1、某调峰燃气轮机机组强制循环锅炉低温过热器爆管分析林友新广东电网公司电力科学研究院锅炉所，广东广州，摘要：某两家电厂采用PG9171E型燃机，匹配Q1153/526-174(33.9)-5.8(0.62)/500(254.8)型三压无补燃强制循环锅炉，组成燃气-蒸汽联合循环发电机组，基本上采用“日启夜停”的调峰运行模式。自投产以来，两家电厂共4台机组的低温过热器管同类位置发生了10多次的爆管。文章对这一问题进行了深入的分析，提出低温过热器进口联箱引入管的热胀推力通过联箱作用在低温过热器管座上，导致低温过热器管座对接焊缝出现了和调峰机组负荷相关的交变剪切应力，该交变剪切应力最终导致了炉管多次快速开

2、裂、泄漏。在此基础，提出了相应的解决措施。关键词：燃气轮机 锅炉 低温过热器 爆管1简述某燃气-蒸汽联合循环发电厂使用的余热锅炉均是杭州锅炉厂生产的型号为Q1153/526-174(33.9)-5.8(0.62)/500(254.8)型三压无补燃强制循环锅炉，它与PG9171E型然机相匹配组成燃气-蒸汽联合循环发电机组。 2009年8月25日，该电厂3号炉低压过热器爆管，爆管位置为低压过热器进口联箱蒸汽引入端数第4根。低压过热器管规格423.0mm，材质：20号钢。该位置从2007年9月至今，累计爆漏4次。2007年9月29日，低压过热器进口联箱蒸汽引入端数第1根爆管，进行了堵管处理。2008

3、年8月14日，同部位第2根管爆管，此次爆管对第2根管用不锈钢软管进行了替代，同时将第1根管焊上，但仍将第1根管子堵死，蒸汽不流通。2009年1月1日，同部位第3根管爆管，同时上次焊死的第1根管焊口处也已经裂开。处理措施：第3根管改用不锈钢金属软管，同时仍将第1根管子焊死。2009年8月25日，第4根管爆漏。这4次爆管的形貌相同，如图1、2所示。断裂口均在焊口下端的焊趾处开裂，开裂口沿管子周向，断口平整，无塑性变形，无撕裂形貌，管壁无减薄。该处烟温仅140，不存在过热。由于内压主导的膜应力的爆口沿管子轴向，因此从爆口形貌可以判断：多次爆漏均非管内介质压力主导。 图1、爆漏管口外观 图2、断口宏观

4、形貌该洪湾电厂4号炉与3号炉型号相同，同一位置也同样发生泄漏，泄漏了共5次，从引入管端第1根开始泄漏，至2009年8月已至第5根管，其他9E机组（该集团公司另外两台同类型的机组）也发生类似情况。如此多次不同机组、同炉型、同位置、有传递规律的爆裂，并且炉管为20号钢，壁厚3mm，管材焊接工艺要求并不高，初爆均为厂家焊口，基本可以排除是焊接质量的原因。为便于进行热胀推力的分析，低温过热器引入管、低温过热器进口联箱、低温过热器管的布置图示于图3。2爆管原因分析 从上述的情况简述可以判断，爆漏非炉管内压产生的膜应力主导的开裂，而是沿周向的剪切应力主导的断口，并且该剪切应力在机组启、停以及不同负荷下，剪

5、切应力的方向是变化的。断口并非是由于单向主应力主导的撕裂口，单向主应力主导的撕裂口，断口具有拉伸塑性变形，不会如此平整断裂。因此，可以判断，断口为交变剪切应力主导（尚有部分弯曲应力叠加作用）的疲劳断口。 该处存在凝结水回流导致热疲劳的可能性，即由于锅炉调峰频繁，在启停过程中，存在凝结水从引入管回流等引起温差剧烈变化的可能性。但进一步进行分析，基本可以排除。理由如下：1）该炉管很薄，壁厚仅3mm，壁厚如此小，即使有凝结水回流，热应力不致太大。2）由于第2、3根接软管后，第4根管仍爆管，因此，即使蒸汽引入管有凝结水回流，但凝结水大部分从第2、3根管流出，不致影响至第4根管。3）最重要的理由：200

6、9年1月1日，低压过热器进口联箱蒸汽引入端数第3根管爆管，同时上次焊死的第1根管焊口处也已经裂开。由于第1根管已经堵死，凝结水已经不会影响堵死的焊口下方，但仍在此处开裂。从上述分析，可能的凝结水回流不是爆管的原因，可以排除由于凝结水回流导致的热疲劳爆管。疲劳断裂的另一种可能性是机械振动疲劳。但从结构上以及历次爆管分析，也可以排除由于机械疲劳导致的断裂。理由如下：1）从结构上分析，炉管的自由长度很短，炉管垂直段（含弯头），长不超过15cm，垂直段不可能产生在水平方向的振动（只有该方向的振动，方可能引起上述断裂）。而炉管的水平段，总长虽有20米左右，但由于有中间隔板，第1个中间隔板和进口集箱之间的

7、距离仅有1米左右，也不容易产生振动。并且，即使水平段产生垂直方向的振动，断裂位置也不会在如今的位置。2）由于爆管很有规律性，从引入管方向数起，第1、2、3、4依次爆管。从振源分析，无非是疏水不畅或者烟气扰动导致，因堵死的管也开裂，疏水不畅导致的振动可以排除。而烟气振动导致的机械疲劳，不至于有如此规律的爆管，第1根爆管后不会依次传递至第2根、第3根、第4根，。因此，可排除振动导致的疲劳断裂。由于爆管很有规律性，从低压过热器引入管方向数起第1、2、3、4依次爆管。因此，爆管和引入管有关，和引入管的热胀推力有关。 锅炉启动阶段，即锅炉由冷到热的阶段，引入管往炉膛中心膨胀，推动进口集箱往炉膛中心方向膨

8、胀，而炉管却以炉膛中心线，往外膨胀。对壁厚仅为3mm的炉管而言，集箱近乎为刚体，两者的胀差集中在炉管和集箱相连接处的垂直段。而炉管的垂直段很短，只有15cm，能吸收的胀差很小，而炉管水平段虽长，但中间有隔板，隔板至集箱中心线的距离也仅有1米，且为鳍片管，刚度较光管大得多，不易产生弯曲变形，因此无法吸收胀差，结果在在炉管和集箱连接部位，应力集中最严重处，产生很大的剪切应力。而在锅炉由热到冷的过程中，两者的热位移方向又相反，形成了反向的剪切应力，如图3所示。这样，只要锅炉的负荷发生变化，炉管温度和引入管温度也将变化，在该位置就形成剪切应力。由于该机组调峰频繁，锅炉冷热变化频繁，因此在该位置形成交变

9、的剪切应力，从而在很短的时间内发生频繁爆管。炉膛中心线炉管低压过热器进口集箱低压过热器引入管弹吊滑动支架托架引入端自由端炉管膨胀方向引入管膨胀方向 图3 引入管、集箱以及低温过热器管的布置简图集箱的热位移方向炉管的热位移方向弯矩集箱的热位移方向炉管的热位移方向弯矩 图4、锅炉由冷到热的膨胀分析 图5、锅炉由热到冷的膨胀分析从图3可以发现，引入端的热位移随引入端至自由端逐渐减少，因此，从引入端数起，第1根受交变剪切应力最大，第2根次之，交变剪切应力依次往自由端减少。因此第1根最先爆管，第1根爆管后，交变剪切应力大部分转移至第2根，导致第2根爆管，第2根爆管后，转移至第3根。这可以很好地解释频繁而

10、又很有规律的传递性爆管。并且，即使炉管堵死后，这种交变剪切应力仍然存在，堵死的炉管依然会开裂。3处理措施引入管的热胀推力通过入口集箱作用在炉管上是导致频繁爆管的根本原因，因此，必须减少引入管热胀冷缩对集箱推拉的作用力，这才能从根本上解决爆管问题。主要途径有2种：1）减少引入管的热胀推力。因管系的热胀推力和管道布置走向有关，因此该方法需要对管道的走向进行重新布置，且对管道的推力应进行重新核算。可行的管道走向可按如下走向改动，可大幅降低管道对集箱水平方向的推力。如图6：提升引入管的高度，在集箱入口处增加1个弯头。同时将引入管的托架和滑动支架均改为刚性吊架，消除托架和晃动支架存在的摩擦阻力，减少管道

11、端口的推力。在改造之前应进行管系的应力和推力校核核算。2）将引入管热胀推力转移在其他构架上，而不是作用在集箱上，保证炉管和集箱在水平方向可以较自由的同步热位移。低压过热器进口集箱低压过热器引入管弹吊刚性吊架刚性吊架自由端 图6 引入管可行的布置方案综上所述，爆管主要是锅炉设计不当导致的，即：低压过热器进口集箱引入管布置不合理，管道的热胀推力作用在进口集箱上，导致进口集箱热位移方向和炉管的热位移方向不一致，而炉管水平段为鳍片管，中间布置很多隔板，水平段无法弯曲变形，而垂直段又过短，炉管在水平方向刚度很大无法很好吸收这种膨胀差，于是，在集箱和炉管连接部位应力集中最严重处，产生了很大水平方向的剪切应

12、力，而这种剪切应力的方向随锅炉启、停以及负荷变化，应力方向是变化的，是一种交变的剪切应力。交变剪切应力导致的破坏，一般时间较短。因此，在短短两年多的时间内，该部位频繁爆管。4结论1、PG9171E型然机匹配Q1153/526-174(33.9)-5.8(0.62)/500(254.8)型三压无补燃强制循环锅炉低温过热器频繁爆管的根本原因是：进口联箱引入管的推力通过联箱作用在低温过热器管座上，导致低温过热器管座对接焊缝出现了和机组负荷相关的交变剪切应力，该交变剪切应力最终导致了炉管多次快速开裂、泄漏。2、管道的推力对设备安全性影响很大，因此，必须对这种推力的大小进行合理的限制，而对推力的方向应进行适当的引导。否则，将导致设备的损坏。3、当同一部位的炉管频繁泄漏时，应重点检查、全面分析是否存在结构膨胀不协调导致应力增大，而不是就事论事、焊上了事的处理方式。否则，事故必将一而再、再而三的发生，隐患无法进行彻底的消除。参 考 文 献1 王致祥、梁志超、孙国模、文启鼎. 管道应力分析与计算，水利电力出版社，19832 能源部华东电力设计院. 火力发电厂汽水管道应力计算技术规定SDGJ 6-90，水利电力出版社，19913 火力发电厂汽水管道与支吊架维修调整导则 D