電站鍋爐除氧器連接管開裂原因分析及改進

　　近年來，我國經濟發展迅速。在我國電力行業中，電力需求日益增長，電網容量逐步擴大，電站鍋爐裝機容量加大，大批高參數、大容量機組應運而生，對各種機電設備及其連接管道可靠性和安全性的要求也越來越高。隨著管徑和壁厚的增大，管道所承受的壓力和溫度不斷提高，這都對管道的設計提出了更高的要求。管道長期在高溫高壓工況下運行，如果設計不當，容易使得管道及管道與設備連接部位在運行過程中承受較大的載荷、彎矩和應力，從而發生材質疲勞及產生裂紋，嚴重時將造成事故，給電站員工的人身安全和國內財產帶來嚴重威脅。因此開展應力分析來保障管道運行的安全性變得更為重要。

　　管道應力分析是管道設計的基礎，其在管道優化設計及確保管道安全方面有著十分重要的作用。其主要功能是對所設計管道的強度、安全性等進行評價，為管道設計提供理論依據。對于電站鍋爐管道，應力主要來源于管道承受內壓力、外部載荷以及熱膨脹等。在這些因素的共同作用下，管道應力形態非常復雜。因而，目前的管道應力分析通常需要借助應力分析軟件（如Caesar II 等）在計算機上進行，通過管道應力分析與計算，研究管道在復雜應力形態下產生的力、彎矩及應力，從而評價管道安全性及進行優化設計。目前已經有不少這方面的研究已經開展。包括管道布置優化、支吊架失效分析及處理 和支吊架彈簧選型及優化等。

1 問題描述

　　在電站鍋爐系統中，除氧器是鍋爐給水預處理系統中的重要設備, 在高溫、高壓條件下工作，內部含有一定壓力的飽和水，如發生事故，可能造成較為嚴重的后果。在浙江省某電廠的一臺鍋爐上，出現了除氧器與管道連接部位開裂的問題。該除氧器及其連接管道的布置與走向如圖1 所示。管道連接輔助蒸汽母管和除氧器，用于將輔助蒸汽送入除氧器加熱給水，實現給水除氧。該管道總長為28.72m，為支撐管道重量及控制管道變形，沿程設置有4 個彈簧支吊架，其中1 號為雙彈簧變力吊架，2 號為單彈簧恒力吊架，3 號、4 號則均為單彈簧變力支架。該管道的運行壓力及溫度分別為1.47MPa 和350℃。在長期運行過程中發現除氧器與管道連接部位（即F 點位置）的上部出現了一些裂紋。這些裂紋雖沒有發展到非常嚴重的程度，但如果不采取措施任其擴展，則有可能造成較為嚴重的后果。因此必須對這一問題進行分析并進行整改。

圖1 除氧器及其連接管道

2 原因分析及改進措施

　　對于電站鍋爐除氧器與管道連接部位出現裂紋的問題，其直接原因必然是該連接部位在工作過程中應力較大，從而在較長時間的工作過程中使得材料逐漸疲勞，導致了裂紋的產生。而造成應力較大的原因，則需要從管道布置與走向來進行研究。分析該管道的結構，可以看到，BC 段管道長度為16.6m，占管道全長的58%，而CD 段管道和DE 段管道的長度分別只有3.3m 和2.35m，這就使得在熱態運行過程中，當BC 段發生熱膨脹時（此時C 點的熱膨脹位移是向上的），CD 和DE 段無法將熱膨脹有效吸收，從而使得E 點承受較多的轉嫁熱位移，造成EF 段向上受力過大，且使得F 點承受較大的彎矩，造成F 點位置應力集中。

　　為了改進F 點應力集中的問題，則需要尋找在熱態運行過程中能有效吸收BC 段熱膨脹的方法。本文提出的一種方法是結合現場空間情況，將CD 段的長度延長2.5m，再折回E 點，同時考慮支吊架布置的跨距要求，在折回E 點的管段上再增加一個彈簧支架（5號支吊架）。改進后的管道布置圖如圖2 所示。這樣設計的管道能夠滿足現場的空間要求，同時又額外增加了5m 的管道來吸收C 點的向上熱位移，如此就能減小EF 段的受力及F 點所承受的彎矩，從而減小F點的應力，降低了該位置出現裂紋的可能性。

3 應力分析驗證

　　對于上述改進方法的有效性，以下采用應力分析方法進行驗證。利用應力分析軟件CAESAR II 分別對原管道和改進后管道進行1:1 建模。管道沿程的4 個支吊架也按照實際的參數進行設置，改進后管道所增加的5 號支吊架則由軟件自動選擇，各支吊架的參數見表1。通過應力分析可計算F 點的受力、承載彎矩情況及應力大小。

         從計算結果可以看到，改進管道布置后，在工作狀態下，F 點的受力由7568N 降低至4541N，而所承受的彎矩也由33018N·m降至17783N·m。同時，一次應力由44272.3kPa 升高到47640.8kPa，二次應力則由27405.9kPa 降低至6948.1kPa。上述結果表明，進行改進后，減小了F 點的受力及承受的彎矩，雖然由于管道總重量的增加略微提高了一次應力，但顯著降低了二次應力，這就使得F 點在長期工作狀態下的應力得到了降低。因此，通過應力軟件分析可以證明，這一改進方法能夠有效降低除氧器與管道連接部位產生裂紋的可能性, 從而提高了該管道在長期使用中的安全性。

表2 F 點應力分析計算結果

4 總結與討論

　　1）除氧器與管道連接部位開裂的直接原因在于該部位在長期運行過程中存在應力集中現象。

　　2）造成除氧器與管道連接部位應力集中的主要原因是該管道垂直上升段過長且在與設備相連之前沒有足夠的管段來吸收熱膨脹。

　　3）本文提出了一種改進方案，對較長管段的熱膨脹進行了有效吸收，減小了除氧器的受力及所承受彎矩，降低了應力水平，提高了除氧器在長期使用中的安全性。

　　從上述結論可以看到，對于較長管段與設備相連的問題，應當充分考慮該管段的熱膨脹性，可通過設置較長的過渡管段有效吸收熱位移后再與設備相連來減少設備的受力與所承受彎矩，從而降低應力水平，提高長期使用的安全性。