陳 杰

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凝汽器換熱管斷裂損傷分析與綜合防治

陳 杰

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

凝汽器是電站汽輪機(jī)組中重要的換熱設(shè)備，換熱管斷裂損傷是其主要故障模式，嚴(yán)重影響機(jī)組可靠運(yùn)行。本文針對某電站凝汽器故障問題，通過分析換熱管調(diào)試階段和商業(yè)運(yùn)行階段的斷裂損傷情況，逐一排查可能的致傷原因，最后確定此次事故為流體彈性激振誘發(fā)的疲勞斷裂，而廠家對凝汽器設(shè)計(jì)的安全裕度考慮不足，理論設(shè)計(jì)與現(xiàn)場實(shí)際產(chǎn)生了偏差，是導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生非預(yù)期斷裂損壞的根本原因。針對換熱管斷裂損傷時(shí)的運(yùn)行工況和損傷區(qū)域，提出加裝防振條、局部區(qū)域預(yù)防性堵管、仿真計(jì)算與應(yīng)變測量等一系列綜合防治措施，可有效降低換熱管斷裂損傷的風(fēng)險(xiǎn)，提高凝汽器設(shè)備的可靠性。

凝汽器；換熱管；斷裂；流體彈性激振；理論分析；綜合防治

凝汽器是電站汽輪機(jī)組中重要的換熱設(shè)備，換熱管束是凝汽器中的核心部件，對換熱功能的實(shí)現(xiàn)意義重大[1-3]。凝汽器換熱管斷裂損傷是影響其功能實(shí)現(xiàn)的主要故障模式，嚴(yán)重影響機(jī)組可靠運(yùn)行。本文針對某電站凝汽器故障問題，提出了一系列綜合防治措施，以期為同類機(jī)組提供借鑒。

1 系統(tǒng)設(shè)備及故障問題

1.1 系統(tǒng)概況

某電站安裝2臺(tái)百萬kW等級單軸中間再熱凝汽式半速汽輪機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配備2臺(tái)獨(dú)立的單背壓單流程表面式凝汽器。凝汽器采用整體落地式，通過臺(tái)板支撐錨定在基礎(chǔ)上，凝汽器的上喉部與汽輪機(jī)低壓外缸通過焊接剛性連接，因此在熱脹冷縮過程中，汽輪機(jī)外缸與凝汽器一體化膨脹和收縮移動(dòng)；而汽輪機(jī)內(nèi)缸與外缸通過橡膠軟密封連接，內(nèi)缸直接落在軸承座上，外缸的變化不影響內(nèi)缸定位，這避免了凝汽器真空及外缸的變化對內(nèi)缸的影響，有益于保持汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸隔板密封之間的動(dòng)靜間隙穩(wěn)定性及減少對振動(dòng)產(chǎn)生不利影響。

每臺(tái)凝汽器分別有A/B列2個(gè)換熱模塊，2臺(tái)凝汽器共有4個(gè)換熱模塊（圖1），從汽輪機(jī)高壓缸向發(fā)電機(jī)的方向，依次命名為1A2B3A4B 模塊。

圖1 凝汽器模塊分布

1.2 換熱管斷裂損傷問題

1.2.1 調(diào)試階段

調(diào)試階段A機(jī)組在進(jìn)行100%功率平臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷至空載試驗(yàn)后的重新啟機(jī)過程中，發(fā)生凝汽器換熱管斷裂冷卻水泄漏問題，機(jī)組被迫停運(yùn)。打開凝汽器水室查漏時(shí)發(fā)現(xiàn)1A水室頂層有2根換熱管發(fā)生泄漏。拔管檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一根泄漏管上其實(shí)有2個(gè)位置存在缺陷，一處在距離入口管板9 m左右的位置，換熱管完全斷裂（圖2）；另一處在距離入口管板7 m左右的位置，換熱管存在裂口（圖3）。另一根斷管的缺陷經(jīng)確認(rèn)也是在距離入口管板7 m的位置，換熱管存在裂口。根據(jù)這2根斷管的3個(gè)斷口位置與支撐板的跨距的對比計(jì)算，發(fā)現(xiàn)斷口均位于跨距中間區(qū)域。

這2根斷管是表層管，存在異物砸傷的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，這2根缺陷管雖處于表層，但上面罩有結(jié)構(gòu)件，亦即排除異物砸傷的可能。

圖2 距入口管板9 m處斷口

圖3 距入口管板7 m處裂口

此外，在凝汽器1A和4B模塊的頂部表層管 及第2指縫表面管發(fā)現(xiàn)了換熱管之間摩擦的痕跡（圖4）。摩擦痕跡主要位于換熱管軸向總長度的中間跨區(qū)域（圖5），摩擦的方向垂直于換熱管的軸向，呈間斷式發(fā)亮條帶。摩擦痕跡比較嚴(yán)重的是表層管，一些區(qū)域第2層及第3層管相互之間也存在摩擦的情況，有的表層管及第2層管與周圍的表層管均有摩擦痕跡，顯示換熱管的運(yùn)動(dòng)軌跡是旋轉(zhuǎn)的。

圖4 摩擦痕跡

圖5 摩擦點(diǎn)在管束中位置

針對現(xiàn)場檢查的情況，在1A/4B模塊采取了預(yù)防性堵管和加裝防振條等防范措施。

1.2.2 商業(yè)運(yùn)行階段

機(jī)組商業(yè)運(yùn)行后，換熱管斷裂泄漏問題重復(fù)出現(xiàn)。發(fā)生斷裂問題的換熱管均在3A/2B模塊，而并非此前做了防范的1A/4B模塊。其中，在3A模塊中發(fā)現(xiàn)靠近汽輪機(jī)側(cè)的第2、第3管指之間的第2指縫中，第3指的迎汽面有4根換熱管存在泄漏；在2B模塊中發(fā)現(xiàn)靠近發(fā)電機(jī)側(cè)的第2、第3管指之間的第2指縫中，第3指的迎汽面有2根換熱管存在泄漏（圖6）。利用內(nèi)窺鏡檢查3A、2B水室泄漏部位，結(jié)果顯示換熱管的斷口平齊，且全部在換熱管支撐板的中間段。針對新的斷管異常發(fā)生的模塊區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充修正和完善。根據(jù)目前掌握的經(jīng)驗(yàn)，主要對4個(gè)模塊的管束頂部表層，1、2指縫的迎風(fēng)面和指底區(qū)域表層進(jìn)行重點(diǎn)防范。

圖6 模塊2B泄漏管位置

2 換熱管斷裂損傷原因排查分析

一般情況下，產(chǎn)生換熱管斷裂問題的原因主要包括異物砸傷、汽流沖刷減薄、換熱管腐蝕、換熱管共振、管束震顫等[4-7]。

2.1 誘因初步排查

機(jī)組調(diào)試階段及商運(yùn)后的失效換熱管均進(jìn)行了斷口金相檢查，換熱管管材是鈦。從檢查分析情況來看，斷口處沒有凹陷、明顯減薄和腐蝕情況，且斷裂位置在支撐板跨距中間部分，排除了異物砸傷、汽流沖刷減薄、換熱管腐蝕等方面的原因，屬于比較明顯的疲勞斷裂[8-11]。

2.2 換熱管共振分析

共振問題與汽輪機(jī)組的工頻、倍頻及換熱管的固有頻率相關(guān)。一般來講一階振動(dòng)危害較大，要求在設(shè)計(jì)時(shí)頻率避開率為25%，按照兩端管板處固定、支撐板處簡支來設(shè)定邊界條件，計(jì)算公式為

式中，為換熱管的固有頻率，為換熱管的實(shí)際跨距，為換熱管的彈性模量，為換熱管的慣性矩，為滿水換熱管的單位長度質(zhì)量。

現(xiàn)場有2種壁厚的換熱管，采用凝汽器設(shè)計(jì)常用的配置方式，即設(shè)計(jì)汽流速度較快的一些區(qū)域采用壁厚0.7 mm的厚壁管，其他均為壁厚0.5 mm的薄壁管，2種壁厚的換熱管一階固有頻率計(jì)算結(jié)果分別為78.1、69.5 Hz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開了汽輪機(jī)組的工頻及2倍頻。另外，共振引發(fā)的斷管位置主要在支撐板處，而前述換熱管斷裂位置基本位于支撐板跨距中間區(qū)域，可見共振并非引起換熱管斷裂的原因。

根據(jù)現(xiàn)場檢查情況，重點(diǎn)懷疑流體彈性激振是引起此次換熱管斷裂損傷故障的原因。

3 流體彈性激振分析與校核計(jì)算

3.1 流體彈性激振分析

在凝汽器設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中，流體彈性激振是重點(diǎn)關(guān)注和研究因素。相關(guān)理論和實(shí)踐表明，流體彈性激振是威脅換熱管束安全的最主要因素。這種振動(dòng)的特點(diǎn)是：每個(gè)凝汽器設(shè)計(jì)中都會(huì)有基于管束結(jié)構(gòu)尺寸、材料性能和工況蒸汽參數(shù)等的不同臨界流速，當(dāng)某工況下蒸汽的實(shí)際汽流速度小于臨界流速時(shí)，換熱管的振動(dòng)狀態(tài)平穩(wěn)；而當(dāng)實(shí)際蒸汽流速大于臨界流速時(shí)，換熱管的振動(dòng)會(huì)迅速惡化，幅度會(huì)急劇增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生相鄰換熱管之間的接觸碰摩。上述事件調(diào)查獲得的摩擦痕跡也印證了這一點(diǎn)。隨著疲勞應(yīng)力的增加和運(yùn)行時(shí)間的延長，在薄弱的地方萌發(fā)裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致整根換熱管的開裂。

3.2 流體彈性激振計(jì)算

流體彈性激振通用計(jì)算公式為Connors公式：

式中：c為臨界流速，汽流速度超過此速度將引起換熱管響應(yīng)振幅迅速增大；為換熱管的一階固有頻率；為換熱管的外徑；c為Connors系數(shù)，即流體彈性不穩(wěn)定系數(shù)；為滿水換熱管單位長度質(zhì)量；為對數(shù)衰減系數(shù)；為換熱管外蒸汽密度。

通過Connors公式可以計(jì)算換熱管的臨界流速。影響計(jì)算結(jié)果的一個(gè)重要因素是Connors經(jīng)驗(yàn)系數(shù)c的選取，表1為一些經(jīng)驗(yàn)選取標(biāo)準(zhǔn)。

表1c選取標(biāo)準(zhǔn)

Tab.1 The selection criteria for Kc

從式(2)可以看到，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)c選取越大，臨界流速越高，即允許的蒸汽流速越大，計(jì)算越偏不保守，因此選取一個(gè)合適的c很重要。

Connors公式中對數(shù)衰減系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：為跨數(shù)；b為支撐板厚度；sp為支撐板跨距，和c共同對臨界流速進(jìn)行修正計(jì)算，從而確定合適的跨距。

HEI標(biāo)準(zhǔn)里提供了計(jì)算跨距的方法，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（式(4)）計(jì)算出音速情況下的蒸汽比熱容：

式中，s為排汽比熱容，為排汽面積，k為汽輪機(jī)排汽流量。

根據(jù)式(4)計(jì)算出的蒸汽比熱容，在水蒸汽表中查出對應(yīng)的飽和壓力，再按HEI標(biāo)準(zhǔn)10版中的基本跨距與壓力關(guān)系曲線，根據(jù)橫坐標(biāo)的飽和壓力查出允許的縱坐標(biāo)基本跨距。

最大允許跨距sp1計(jì)算公式為：

式中：u為未修正的基本跨距；sp為修正后跨距；sp1為最大允許跨距；1、2、3分別為3個(gè)修正系數(shù)，選取自HEI標(biāo)準(zhǔn)10版。

3.3 流體彈性激振控制指標(biāo)

目前避免產(chǎn)生流體彈性激振的控制指標(biāo)[15-18]主要有以下3個(gè)。

1）換熱管的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù) 根據(jù)流體彈性激振的基本定義，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)即當(dāng)?shù)貙?shí)際流速與臨界流速的比值，應(yīng)不大于1，考慮廠家的修正系數(shù)則為不大于0.64，即：

式中：為風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；a為當(dāng)?shù)貙?shí)際流速，根據(jù)不同工況下管束上方1 m處的凝汽器平均蒸汽速度，乘以經(jīng)驗(yàn)放大系數(shù)得到的換熱管表面的蒸汽流速作為當(dāng)?shù)貙?shí)際流速。

從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)看，廠家按1.35倍計(jì)算最大實(shí)際流速。這個(gè)局部放大系數(shù)是否足夠保守是分析裕量是否充足的一個(gè)主要考慮因素。

2）換熱管的負(fù)荷因子 換熱管的負(fù)荷因子是表征換熱管跨距設(shè)計(jì)選擇是否合理的一個(gè)重要指標(biāo)?？缇嘣介L，對應(yīng)的臨界流速越低，當(dāng)臨界流速降低到當(dāng)?shù)貙?shí)際流速時(shí)，將會(huì)發(fā)生流體彈性激振。因此，跨距應(yīng)小于當(dāng)臨界流速等于當(dāng)?shù)貙?shí)際流速時(shí)對應(yīng)的跨距，此時(shí)的換熱管負(fù)荷因子為1，表明換熱管處于比較危險(xiǎn)的狀態(tài)。

3）換熱管的振幅 換熱管的振幅也是表征換熱管安全狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。振幅越大，應(yīng)力越大，換熱管發(fā)生斷裂損傷的風(fēng)險(xiǎn)也越大。

3.4 校核計(jì)算及分析說明

按照相關(guān)安全準(zhǔn)則計(jì)算得到發(fā)生斷裂問題的參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 發(fā)生斷裂問題的參數(shù)

Tab.2 Parameters for the occurrence of fracture problems

由表2可見：在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的各種工況，換熱管的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均不大于1（修正后的0.64），負(fù)荷因子也均小于1，即換熱管的結(jié)構(gòu)尺寸及凝汽器的熱力參數(shù)的匹配符合廠家設(shè)計(jì)要求，換熱管理論上不會(huì)受流體彈性激振問題影響；換熱管的振動(dòng)幅度小于HEI標(biāo)準(zhǔn)要求的管間橋距1/3，也是合格的。但根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際檢查的情況來看，換熱管之間發(fā)生了接觸碰摩情況，說明部分換熱管的振動(dòng)幅度至少是大于1/2管間橋距。如果換熱管表面有焊接影響區(qū)的質(zhì)量偏差或碰摩產(chǎn)生的質(zhì)量薄弱點(diǎn)，則會(huì)成為換熱管疲勞開裂的萌發(fā)位置[19-20]。

在換熱管風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)、負(fù)荷因子的安全系數(shù)及換熱管振幅均滿足設(shè)計(jì)要求的情況下發(fā)生了換熱管斷裂故障，且事故工況尚未達(dá)到設(shè)計(jì)考慮的最高負(fù)荷和最低溫度，由此判斷，凝汽器設(shè)計(jì)的安全裕度考慮不足，理論設(shè)計(jì)與現(xiàn)場實(shí)際產(chǎn)生了偏差，是導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生非預(yù)期斷裂損壞的根本原因。

4 綜合防治措施

4.1 加裝防振條

根據(jù)上述分析，減少換熱管流體彈性激振的影響是解決換熱管斷裂損傷的關(guān)鍵。為此，現(xiàn)場將一種厚度約為2 mm、長度為400/800/1 500 mm等幾種規(guī)格的防振條插入換熱管之間軸向支撐板跨距中部位置，撐在換熱管之間，相當(dāng)于增加了部分支撐板，減小了跨距，也避免了換熱管中間部位的相互摩擦，實(shí)際驗(yàn)證效果良好。

加裝防振條這一措施雖然很有效，但加裝區(qū)域比較難以判別。依靠目前對凝汽器的流場分析和認(rèn)識(shí)，還很難準(zhǔn)確判斷蒸汽流速高、風(fēng)險(xiǎn)大的區(qū)域。而在整個(gè)管束區(qū)都進(jìn)行加裝也不太現(xiàn)實(shí)：一方面有些區(qū)域限于空間等各方面因素?zé)o法安裝，另一方面全部安裝成本也較高。由于運(yùn)行工況的不同，高流速蒸汽的影響區(qū)域發(fā)生變化，原來防范區(qū)域之外的換熱管可能再次出現(xiàn)斷管。因此，只能在發(fā)生斷裂和有摩擦痕跡換熱管的位置區(qū)域基礎(chǔ)上進(jìn)行防振條反饋擴(kuò)展加裝。

4.2 局部區(qū)域的預(yù)防性堵管

局部區(qū)域的預(yù)防性堵管是目前主要采用的補(bǔ)充防治措施。針對有些風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域無法加裝防振條問題，進(jìn)行預(yù)防性堵管后可以避免振動(dòng)斷管導(dǎo)致降負(fù)荷或停機(jī)。在拆堵頭檢查預(yù)防性堵管的換熱管中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)斷管情況。根據(jù)換熱管的振動(dòng)公式分析，振幅計(jì)算中的質(zhì)量因子可以消掉，因此堵管后并沒有改變換熱管的振動(dòng)狀態(tài)，振幅也沒有明顯增加或減少，但是控制了斷管所帶來的后果。

4.3 仿真計(jì)算與應(yīng)變測量

為了加強(qiáng)對凝汽器內(nèi)部流場情況的了解，進(jìn)一步識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，以便采取必要的措施進(jìn)行防范，準(zhǔn)備采用三維仿真的方法對凝汽器內(nèi)流場進(jìn)行計(jì)算分析。但其成熟度和準(zhǔn)確度還需要驗(yàn)證。同時(shí)，也考慮進(jìn)行凝汽器內(nèi)的換熱管應(yīng)力測量，通過外部模擬與內(nèi)部實(shí)測對比的方式，驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié) 論

1）流體彈性激振是導(dǎo)致凝汽器換熱管斷裂的主要因素。

2）通過采取加裝防振條、預(yù)防性堵管等措施，能夠有效地減少斷管故障的發(fā)生，減輕斷管對機(jī)組運(yùn)行的影響。

3）利用計(jì)算軟件對凝汽器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，對換熱管進(jìn)行應(yīng)力測量，可以更好地識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，以便采取更加有效的防范措施，真正持續(xù)提升凝汽器及機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

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Analysis and comprehensive prevention of fracture damage in condenser heat exchanger tube

CHEN Jie

(Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)

Condenser is an important heat exchanger device in power plant steam turbines, and fracture damage of heat exchanger tube is its main failure mode, which seriously affects the reliable operation of the unit. Aiming at solving the problem of condenser failure in a power station, by analyzing the fracture damage of the heat exchanger tube during commissioning and commercial operation stages, the possible causes of the damage are investigated one by one. Finally, the fatigue fracture induced by hydro elastic excitation is considered as the major reason. In fact, the safety margin of the condenser design is insufficiently considered by the manufacturer, and the deviation between theoretical design and field practice results is the primary cause for the unexpected fracture damage. Against the operation condition and damage area of the heat exchanger tube when it is damaged by fracture, a series of comprehensive prevention measures are put forward, such as installing the anti-vibration strip and preventive blockage in local area, and carrying out simulation calculation and strain measurement, which can effectively reduce the risk of the heat exchanger tube fracture damage and improve the reliability of condenser equipment.

condenser, heat exchange tube, rupture, fluid elastic excitation, theoretical analysis, comprehensive renovation

TK268.+1

B

10.19666/j.rlfd.201901039

陳杰. 凝汽器換熱管斷裂損傷分析與綜合防治[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 115-120. CHEN Jie. Analysis and comprehensive prevention of fracture damage in condenser heat exchanger tube[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 115-120.

2019-01-30

陳杰(1968—)，男，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡姀S設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和技術(shù)管理，chenjie@cgnpc.com.cn。

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）