闭冷泵逆止阀破裂原因分析及处理

葛 鹏,封 帆,王 婷

(1、2.西北电力建设调试施工研究所,陕西 西安,710032;3.延长石油延安炼油厂,延安)

1 概 述

印度尼西亚2×(300～400 MW)火电机组中,配置了2台100%容量的闭式冷却水泵。由2台闭式循环冷却水泵,1个膨胀水箱,2台闭式水-海水热交换器,供水母管及阀门和控制装置等。系统设置2台100%容量的闭式循环冷却水泵,互为备用;2台闭式水-水热交换器,互为备用。

系统中的出口逆止阀为机械式铸铁门。全开、全关时间分别为23s和25s。系统布置方式如图1所示。

图1 机械式出口逆止阀布置图

铸铁逆止阀以其造价低,安装快、耐腐蚀而被大量采用,常作为发电、化工、石油等行业输送泵的出口逆止阀。但由于铸铁材料本身的耐冲击力较差,所以在实际应用中,铸铁逆止阀常常因为停泵瞬间产生的水锤冲击力而破裂。

2 设备运行情况

印度尼西亚位于亚洲东南部,当地的电网建设较为滞后,电网运行的稳定性不能与我国相比,电网电压的波动较大。

在机组系统的试运阶段中,由于电网电压波动造成两次厂用电全失。第一次厂用电全失,闭冷水泵瞬间停运,停运前最大压力0.6MPa,停运中发生出口逆止阀破裂。由于在国内很少遇见电网电压波动造成厂用电全失的现象,所以阀门厂家分析认为是阀门制造有缺陷。更换备件后继续运行,未进行进一步仔细分析。时隔两星期后,再次因为电网电压波动造成厂用电全失,运行泵瞬间停运的过程中,出口逆止阀再次破裂。两次发生了同一事故现象,故而引起技术人员的高度关注。

3 故障原因分析

由于出口逆止阀的两次破裂现象都发生在厂用电全失后,且对比两次事故后的出口逆止阀断裂面图片,发现两次断口位置及形状相似,调阅DCS运行记录发现,两次事故发生时,出口电动门均因厂用电全失,未能及时关闭。故判断造成事故连续两次发生的主要原因,是由于厂用电全失使闭式冷却水泵在瞬间停运,出口电动门动力电丧失,使电动门未能关闭。但出口逆止阀为机械式,不受断电影响可以快速关闭。出口逆止阀快速关闭前的停运瞬间,由于闭冷水泵进出口压差和大流量的反流作用,会瞬间产生一个很强的垂直冲击力。即发生了通常所说的水锤。这个力在逆止阀快速关闭后达到最大,而且这种反冲力会全部作用在逆止阀上。

同时还检查了出口水管道的支吊架,发现管道的支吊系统在设计中也存在缺陷。设计中仅在闭冷水泵出口逆止阀下方的管道弯头处有一刚性支撑,在闭式冷却水泵出口到冷却器之间的长距离管段中,没有任何承受水平力的吊架。而出口逆止阀恰好布置在冷却水泵出口弯头的上方约1米位置,见图2所示。所以出口逆止阀下方的刚性支撑,可视为闭式冷却水泵出口管段的受力死点。在停运瞬间,强烈的水锤冲击力作用下使出口逆止阀瞬间受到很大的挤压,超过了逆止阀耐压的强度极限而使其破裂。从两次破裂及竖向裂纹的破坏形式,可明显观察到阀体被超强度压力破坏的现象。

图2 出口逆止阀管道的支吊系统

具有较长输水管的水泵正在输水时,由于电动机的电源被切断,从这瞬间开始,管道内的平均流速开始变化,同时伴随管内压力的变化,即形成了所谓的水锤现象。由此可见水锤现象是离心泵停泵时必然发生的一种现象。对比正常状态时停泵和瞬间厂用电全失时停泵,两者不同点在于出口电动阀在厂用电瞬间全失时不能及时关闭,从而不能有效减小停泵瞬间的水锤冲击力,造成出口逆止阀破裂。

4 处理方案及效果

查阅国内相关事故报告,发现国内发生此类事故大都由于出口电动门关闭时间过长,在停泵瞬间,不能有效减小水锤作用在出口逆止阀上的冲击力,造成出口逆止阀破裂。所以国内此类事故的解决方案,常采用调整出口电动门关闭时间以达到快速关闭出口电动门,从而有效减小作用在逆止阀上的冲击力,避免出口逆止阀破裂。但该国外机组的故障起因是因当地电网电压不稳定,造成厂用电全失引起,这意味着在厂用电全失的瞬间,出口电动门也将同时失去动力电源而无法动作。所以不能通过缩短出口电动门关闭时间来防止此类事故再次发生。

针对国外机组当地情况,经设计单位和设备厂家商讨后决定,将设计中的铸铁逆止阀更换为碳钢逆止阀。同时将闭冷水泵出口弯头的刚性支撑换为弹簧支撑,并在闭冷水泵出口管水平部位增设2个刚性吊架从而改变逆止阀的受力。减小停泵瞬间产生的水锤对逆止阀的冲击力,见图3所示。在改造后的试运阶段中,又曾多次出现因电网原因使厂用电全失状况,造成闭式冷却水泵瞬间停止,出口电动门未能关闭,但闭式冷却水泵的出口逆止阀均经受住了考验,未再出现阀体破裂的现象。

图3 改进后的出口逆止阀管道的支吊系统

对比国内机组常用处理方法和国外机组采用的处理方法,前者在不更换增加设备的基础上,通过调整现有设备的运行参数达到了预防治理的目的,经济性较强。而在国外机组的处理方案中则更换了设备,增加了成本,经济性明显不如前者。但考虑到国外机组的特殊性,从机组安全运行的角度考虑。此方法不失为较稳妥较安全的处理方法。

5 结束语

近年来随着世界经济的发展,东南亚经济欠发达国家,诸如印度尼西亚、越南、印度等国家出现了很大的电力供应缺口。我国火电设备供应商、电力建设和电力调试等企业已快速进入这一市场,由于对当地经济及电网发展了解不足,供应设备的选型及安装调试均按照国内标准进行,而实际上这些国家电网建设水平远落后于中国,因此,设备运行的基本工况与国内机组运行的情况不尽相同,在涉外工程设备选型及设计安装时,应对当地的基本情况加深了解,才能避免这一类故障的重复出现。

[1]东方电气集团中爪哇项目机务系统设计说明[D].

[2]范钦珊,殷雅俊.材料力学(第2版)[M].清华大学出版社.

[3]张杰.停泵水锤压力计算及预防措施[J].北京:中国电子期刊出版社.