凝汽器喉部变形及结构改造

端木彦峰，米　沛

0　概述

火电机组的凝汽器，是利用循环冷却水将汽轮机的排汽冷凝成水。通过凝结水泵，将凝结水输送回锅炉以重复使用。同时，凝汽器在汽轮机排汽处建立了一定的真空度，从而提高了汽轮机的输出功率。若凝汽器的真空度被降低，将影响机组的热经济性。

1　凝汽器现状

某型机组于1996年投入运行，凝汽器的换热管为铜质换热管。至2016年，该机组已服役20年，已接近该凝汽器的使用寿命。近年来，凝汽器的铜质换热管泄漏严重，多次发生泄漏后，被封堵的换热管较多，凝汽器的换热面积显著减少，换热效率已无法满足机组运行的要求，亟需对凝汽器进行升级改造。

2　凝汽器的升级改造

2016年，对该机组的凝汽器进行了升级改造，在保留原凝汽器喉部的基础上，拆除了原凝汽器的管束，并重新对管束排管和水室进行了结构优化。安装了新管束后，将原铜质换热管换成奥氏体材质的不锈钢换热管。改造后，机组启动不久，监测到凝汽器的真空度陡然下降。经现场查勘，发现在凝汽器喉部，刚刚更换的波形膨胀节多处发生扭曲和拉伸变形。波形膨胀节的变形状况，如图1所示。不锈钢波形膨胀节的外径为126 mm，极限拉伸和压缩尺寸为126±25 mm。实测后，发现波形膨胀节有多处变形，变形后的外径尺寸为160～180 mm，最大处已达245 mm。在不锈钢波形膨胀节的局部区域，部分波节已撕裂开口。空气从开口处进入，凝汽器的真空度被破坏，机组被迫停机。

图1　波形膨胀节的扭曲变形

3　事故原因及分析

停机，对于机组运行是一次事故。初步查勘后，认为膨胀节撕裂，是因凝汽器的结构改造所造成，所以，应对凝汽器的优化方案重新进行论证。怀疑造成事故的原因，可能有多种因素。在改造凝汽器时，需将原凝汽器管束拆除，但没有对壳体进行加固处理，致使凝汽器壳体发生变形，导致了凝汽器喉部膨胀节的撕裂。原凝汽器采用的是单波膨胀节，无法吸收水平方向上的膨胀位移，而启运后，因温升使凝汽器与低压缸发生了水平方向上的相对位移，导致了膨胀节的撕裂。

经过多方论证，验证了该凝汽器安装的死点位置与低压缸的死点位置是重合的，所以，凝汽器喉部的波形膨胀节不需要吸收水平膨胀的位移。同时，复核了凝汽器改造的施工方案，包括了加固方案及监理方的审核报告，也没有发现问题。此时，设计方建议待机组完全冷却后，再进入凝汽器喉部内部查勘，最终确定产生问题的原因。这样，有利于制订有效的处置方案，并建议按原波形膨胀节尺寸，订购新的波形膨胀节，重新进行更换。

机组冷却后，查勘了凝汽器的内部，并采集了多项数据。凝汽器喉部的端板和侧板，已呈现出整体内凹之势。最大内凹处，位于凝汽器喉部侧板的水平中分点，达248 mm。内凹处外形及变形示意图，如图2所示。支撑凝汽器喉部的侧板和端板支撑杆，有多处被割断及虚焊点。支撑杆被割断及虚焊点的位置，如图3所示。在喉部斜拉支撑杆和水平支撑杆的相连位置，有10多根水平支撑杆，但在连接焊缝处已被压断。被压断的支撑杆，如图4所示。在被压断的喉部水平支撑杆表面，有较深的冲蚀锈坑，其断口无明显延展变形，呈现脆性断裂状。支撑杆的断口形状，如图5所示。

图2　内凹处外形及变形示意图

图3　支撑杆被割断及虚焊点

图4　被压断的支撑杆

图5　支撑杆的断口形状

在凝汽器改造施工前和完工验收时，均对凝汽器喉部及波形膨胀节外形进行测量和拍照，改造前后的尺寸未有明显的变化。因此，凝汽器喉部的塌陷，应在机组启机之后产生的。在凝汽器的优化方案中，并未对喉部进行改造。结合设备现状及查勘时拍摄的照片，再次对事故的原因进行了分析。

(1)喉部内部支撑杆的虚焊和割断的支撑杆，都不是新发生的。此前，从未在喉部进行施工。可能是当年安装凝汽器时，遗留下的问题。从被割断支撑杆的位置分析，可能是喉部内部零部件(如减温减压器)与支撑杆相互发生了干涉而被割断。也有些支撑杆没有与其他零件干涉，但也被割断。现在猜想，可能当初在调整喉部内零件方向时，因空间不够，临时割断了这些支撑杆，却没有及时恢复支撑杆的连接。按照凝汽器的安装要求，所有被割断的支撑杆，最后都务必恢复强度连接。若部分支撑杆和内部零部件因干涉而无法直接连接，也应将支撑杆移位至就近位置恢复连接，以确保喉部的整体刚性。可见，当时凝汽器的原设计方案留有较多的安全余量，凝汽器喉部的实际刚性仍高于其屈服的临界点，因此，凝汽器在此条件下还能安全运行20年。

(2)经过多年运行，喉部的原水平支撑杆长期被蒸汽正向冲刷，在杆表面形成了大量锈坑，最深处约2 mm(原支撑杆规格为108×7)，杆的强度严重下降，影响了凝汽器喉部的整体刚性，可能已到了屈服变形的临界点。

(3)凝汽器改造后，刚启机时，在真空度下降之前的监测数据显示，在机组功率相等的情况下，凝汽器改造后的真空度，由改造前的－97.72 kPa提高到了－98.76 kPa。说明改造后喉部承受的大气压力比改造前略大。可能恰恰是这个压力，高于了喉部屈服变形的临界点，于是在大气压力的作用下，使喉部压缩变形。

综合分析后认为，改造方案无问题，是当初原凝汽器安装时的质量不佳，导致此次凝汽器喉部的塌陷和变形。

4　返修方案及结构优化

经过讨论并制订了返修方案，更换了所有原凝汽器喉部的水平支撑杆。更换支撑杆前后的状态，如图6所示。对各虚焊处进行了补焊，并重新连接了割断处。新增加两排水平支撑杆，顶撑了原喉部塌陷处，让侧板重新归位，最后安装了新的喉部膨胀节。新增支撑杆及新膨胀节的安装，如图7所示。返修后，重新启机，凝汽器的真空度恢复良好，机组的运行稳定且高效。

图6　支撑杆更换前后的对比

图7　新增支撑杆和新膨胀节

5　结语

当老机组设备接近或超过设计寿命时，应及时对老设备进行结构优化改造。通过事故分析，查勘了喉部支撑杆的现状，发现支撑杆已严重锈蚀。建议及时更换损坏的支撑杆，并适当增加喉部支撑杆数量，避免喉部变形事故的发生。对老设备结构的升级改造，需注重现场的查勘工作，才能确保机组的安全运行。

参考文献:

［1］王龙江.火电厂1 000 MW机组凝汽器变形原因分析与处理［J］.信息技术，2010(5):139-140.