超临界锅炉减温器喷管断裂分析及对策

李鹏新笪耀东董本万

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.焦作锅炉压力容器检验所 焦作 454000）

超临界锅炉减温器喷管断裂分析及对策

李鹏新1笪耀东1董本万2

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.焦作锅炉压力容器检验所 焦作 454000）

本文介绍了超临界电站锅炉较多采用的喷管悬臂式减温器的结构形式，列举了近年来该结构形式的减温器发生喷管断裂的多个案例，对其缺陷特点进行了说明，并从设计、制造和运行等方面分析了该问题产生的原因，提出了改进措施，这些措施已应用在了不同的电厂。结果表明，改进结构后的减温器成功的解决了喷管断裂的问题，运行效果良好。

减温器 喷管 断裂 对策

减温器是电站锅炉用来调节主蒸汽温度及锅炉左、右侧蒸汽汽温偏差的承压部件。近年来，在超临界电站锅炉的定期检验中，发现多家运行时间不超3万h电站锅炉存在喷水减温器喷管断裂的问题。喷管断裂会引起减温器筒体的开裂或泄漏事故，威胁到电厂设备和人员安全，因此应引起足够的重视。

统计发现，在喷水减温器中，喷管断裂的问题数量较大，具有普遍性。部分电厂采用更换喷管的方案对损坏的减温器进行了修理，运行一段时间后对减温器复检，发现新更换的喷管很快也出现类似的问题[1]。因此，分析产生减温器喷管断裂和焊缝裂开的原因并提出改进措施就显得势在必行。

1 喷水减温器结构介绍

锅炉蒸汽减温器的结构形式有多种型式。本文仅介绍在超临界电站锅炉中，经常发生缺陷的喷水减温器，其结构如图1所示。

根据锅炉设计，喷水减温器用于超临界锅炉的一、二级过热器减温器。减温器喷管一端与减温水管座焊接在一起，另一端为自由悬空。一、二级过热器筒体材质分别为SA-335P12、SA-335P91，喷管材质均为SA-335P12。

图1 喷管悬臂支撑式减温器

过热器一级减温器位于低温过热器出口集箱与屏式过热器进口集箱的连接管上，过热器二级减温器位于屏式过热器与高温过热器进口集箱的连接管上。减温器喷管上背向气流侧均布多排小孔，自小孔喷出减温水迅速雾化，与减温器套筒内的高温蒸汽进行充分混合，达到降低汽温的目的，减温幅度通过调节喷水量进行控制。一级减温器是过热蒸汽温度的主要调节手段，二级减温器可用来调节高温过热器温度及锅炉两侧蒸汽温度的偏差，使过热蒸汽出口温度维持在设定值范围内。

2 减温器缺陷情况及特点

通过对多家电厂不同结构形式减温器的检验和比较，发现喷管断裂或焊缝开裂的问题多发生在喷水减温器中，且靠近喷管固定端。以下为喷水减温器喷管损坏问题的典型案例。

1）2011年1月对某电厂超临界电站锅炉进行内部检验时发现过热器二级减温器喷管根部开裂，实物图如图2所示。该减温器筒体材质SA-335P91，规格为φ495.3mm×70mm，锅炉运行约9500h。

图2 过热器二级减温器喷管断裂实物图

2）2011年4月对运行时间约10500h的某电厂超临界电站锅炉进行内部检验时，发现该锅炉左、右侧过热器一级减温器喷管根部断裂，炉右侧过热器二级减温器喷管根部断裂，喷管根部断裂实物图如图3所示。一级减温器套筒材质为SA-335P12，规格为φ508mm×88mm，二级减温器套筒材质为SA-335P91，规格为φ508mm×78mm。

图3 减温器喷管根部断裂图

3）2012年5月，对某电厂运行时间不足5000h超临界电站锅炉进行内部检验时发现锅炉左、右侧材质为SA-335P91，规格为φ495.3mm×70mm的过热器二级减温器喷管根部断裂，且锅炉左侧过热器二级减温器喷管套管固定焊缝开裂，喷管限位块磨损。

3 原因分析

3.1 存在设计缺陷

由于没有对喷管的悬空端进行限位，喷水减温器受力模型为悬臂梁结构，在力的作用下，悬臂梁结构会产生较大的弯矩。在锅炉运行中，悬臂梁结构的喷管受高压蒸汽冲击后悬空端向蒸汽流动方向偏移，并且偏移量较大，作用于减温器喷管固定端。悬空端偏移量越大，对喷管根部的作用力越大，而减温器在高温高压环境下工作，能够使喷管悬空端发生较大偏移[2]。同时减温水的投用，又使喷管受到反向力的作用，这样就有交替变化的破坏力作用于喷管根部，使喷管容易从根部开裂以致断裂。目前减温器喷管的材质，多采用12Cr1MoVG，相对于SA-335P91材料而言，强度较低。另外喷管根部与管座连接的的加工角度是垂直的，随着交变应力的作用，易在根部表面产生裂纹。

3.2 存在制造缺陷

按照减温器设计，在减温水管座的内壁焊接一段内套管，并在喷管表面沿蒸汽流向和蒸汽流向的垂直方向对称焊接四个限位块与套管紧密配合，对喷管套筒进行限位，达到减小喷管在运行状态下摆动的目的。在锅炉内部检验过程中发现，喷管套筒的这些限位块与套管的配合间隙普遍较大，在减温器运行中不能有效减小喷管悬空端摆动。况且限位块面积较小，与套管的接触面小，喷管的震荡对限位块产生碰磨，随着运行时间的延长，限位块磨损也会加大，这样增大了限位块与套管的配合间隙。

3.3 运行环境恶劣

减温器投入运行后，随着高温高压蒸汽的冲击、蒸汽压力的变化、减温水的投退以及减温水压力的变化，喷管悬空端处于向蒸汽流动方向偏移并不断震荡的状态，喷管固定端承受着巨大的剪切应力作用。因运行环境恶劣，应力集中较大的根部易开裂直至断裂，部分减温器甚至在很短的运行时间内即产生缺陷。此外，处于高温蒸汽和低温减温水介质中的喷管，在运行中产生温差应力，也加速其破坏过程的进行。

4 减温器结构的改进

鉴于悬臂式喷水减温器在多个电厂出现相同的缺陷问题，笔者认为在恶劣工况下减温器结构设计形式存在不足是造成喷管断裂问题的主要原因，对此向电厂提出了优化设计的建议。电厂委托锅炉制造厂家对减温器结构形式进行改进，锅炉厂通过多次试验分析，仿真设计，决定对喷管结构进行改进，将原来的悬臂梁结构改为两端支撑的简支梁结构，以避免悬臂梁结构存在较大剪切应力时产生的巨大破坏作用[3]。新改进的减温器结构图如图4所示。

图4 喷管简支梁支撑式减温器

5 结束语

减温器喷管断裂是近些年来锅炉运行过程中经常发生的缺陷。结构改进后的减温器，经过近两年的运行后进行复检，未再发现减温器喷管断裂的问题。由此可见，在设计方面未能对减温器喷管悬空端的振荡偏移量进行有效控制是产生该缺陷的根源，同时制造工艺配合公差过大、质量控制不严也为该缺陷的产生起到了促进作用。从源头上进行有效的改进和控制，是消除事故隐患，保证减温器安全运行的长效方法，也是避免电厂对此类缺陷反复检修造成经济损失的根本途径。

1 刘峰,闫凯平,仝亚峰,等.600MW机组锅炉减温器断裂原因分析及改进措施[J].技术交流,2007.5:87～88.

2 洪文健,胡华盛.锅炉减温器构件开裂分析[J] .机电工程技术,2009.2:92～95.

3 宁德亮,李家鹏,庞凤阁.新型喷水减温器的结构设计[J] 应用科技 2005.10:62～64.

4 徐建华,等.电站锅炉的超温现象的检验与防护[J].中国特种设备安全,2010,26(3):38～40.

5 周奎应.超临界机组从基建到投产锅炉“四管”防止[J].中国特种设备安全,2010,26(6):68～70.

6 于沛东，等超临界锅炉高温受热面氧化皮分析及防治[J].中国特种设备安全,2013,29(4):45～46.

7 藏秀君.300MW机组锅炉爆管原因分析[J].中国特种设备安全,2013,29(7):57～58.

8 王明庭.锅炉高温过热器数次爆管后的检验[J].中国特种设备安全,2013,29(7):65～66.

9 杨轲,等.电站锅炉主要部件典型外壁腐蚀问题[J].中国特种设备安全,2010,26(12):61～63.

10 李秦.电站锅炉减温器缺陷的检验与分析[J].中国特种设备安全,2010,26(5):60～63.

11 糜亮,等.电站锅炉水冷壁和过热器爆管分析[J].中国特种设备安全,2013,29(11):51～52.

Analysis and Improvement Measures of Nozzle Fracture of Desuperheaters Used in Supercritical Power Plant Boilers

Li Pengxin1Da Yaodong1Dong Benwan2
(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2.Jiaozuo Boiler & Pressure Vessel Supervision and Inspection Institute Jiaozuo 454000)

This article described the formal structure of nozzle cantilevered desuperheater often used in supercritical power plant boilers, and listed several cases of nozzle in fracture occurred in desuperheaters of the structure in recent years, whose defect features were described in this paper. Reasons of the problem were analyzed in terms of design, manufacture and operation, and improvement measures were proposed, which had been adopted by different plants. The results showed that desuperheaters with the improved structure successfully solved the problem of nozzle fracture and ran well.

Desuperheater Nozzle Fracture Improvement measures

X928.3

B

1673－257X(2014)11－70－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.020

李鹏新(1972～),男,高级工程师,从事电站锅炉检验检测与研究工作。

2014-07-23）