趙貴前,張永杰,馮東磊,陳善貴 ,李 兵
(1.國網新源建設有限公司,北京市 100053;2.國家電投集團五凌電力有限公司山西分公司,山西省太原市 030024;3.國網新源安徽績溪抽水蓄能有限公司,安徽省宣城市 245300)
波紋管補償器也叫膨脹節(jié),由構成其工作主體的波紋管和結構件組成,在抽水蓄能電站技術供水的各種管道中都有使用,它能夠補償管道的機械變形和吸收各種機械振動,降低管道變形應力,提高管道使用壽命。波紋管補償器連接方式分為法蘭連接和焊接連接兩種,直埋管道波紋管補償器采用焊接連接方式,明敷管道采用法蘭連接方式。
波紋管補償器在抽水蓄能機組的生產供水管路中得到應用,其可靠性是通過設計、制造、安裝、運行管理等多個環(huán)節(jié)來保證的,任何一個環(huán)節(jié)的失控都會導致波紋管補償器壽命的縮短。在生產過程中,常見的波紋管補償器故障主要表現在失穩(wěn),失穩(wěn)的形式有平面失穩(wěn)和柱狀失穩(wěn)兩種。平面失穩(wěn)是指波紋環(huán)板平面翹曲、變形、波距不均勻等變形而失效的情況;柱狀失穩(wěn)是波紋管軸線總體彎曲,偏離原來的直線位置,導致波紋管失效的情況。無論是哪一種失穩(wěn),都是波紋管發(fā)生了幾何形狀改變而失去原有平衡狀態(tài),產生形狀畸變而失效。抽水蓄能電站技術供水系統(tǒng)管路中所用的波紋管補償器運行基本平穩(wěn),但也有過失穩(wěn)的故障情況發(fā)生。
某抽水蓄能電站發(fā)電電動機定子設計為無下支墩結構,即定子機座下環(huán)板直接放置在定子基礎上,由于定子下部空間有限,故其空冷器采用了上進/上出水方案??绽淦鞴潭ㄔ跈C座外壁上,其進/出水管分列兩邊,一端與定子基礎埋管相連,一端與空冷器水箱相連。定子機座在機組運行時會產生振動并受溫度變化而膨脹或收縮,空冷器進/出水管與基礎相連一端為固定端,而與空冷器水箱的一端,由于定子機座在機組運行中存在振動或位移,所以這一端將承受振動或位移所產生的外力。另外,由于空冷器的冷卻水取至尾水管,進/出水管內冷卻水壓力較高、水流速相對較大,冷卻水對管路會造成一定沖擊,冷卻水流速及壓力的波動沖擊則會加劇管路的振動。為適應定子的振動及位移,減緩空冷器冷卻水的沖擊,空冷器的進/出水管設置了波紋管補償器,見圖1。
圖1 發(fā)電電動機空冷器波紋管補償器布置示意圖Figure 1 Schematic diagram of air cooler bellows compensator for generator-motor
在該抽水蓄能機組完成設備安裝調試進入試運行期間,出現了發(fā)電電動機空冷器波紋管補償器柱失穩(wěn)現象,故障情況見圖2。
圖2 發(fā)電電動機空冷器波紋管補償器發(fā)生柱失穩(wěn)的故障圖Figure 2 Failure diagram of column instability of generatormotor air cooler bellows compensator
由于該抽水蓄能機組是新安裝的機組,設備在試運行,對失穩(wěn)的波紋管補償器進行了工廠質量回查,質檢報告和出廠試驗完整齊全;現場解體檢查,設備不存在偷工減料,以次充好的情況。經過綜合檢查與分析,主要原因如下:
該抽水蓄能電站空冷器波紋管補償器的結構為單式軸向型結構[1],波紋管內沒有導向筒,主要用于吸收軸向位移,而橫向允許位移較小,其承受子午向綜合應力較弱,環(huán)向應力也比較弱。在波紋管補償器安裝時,部分管路上下端軸向和橫向存在偏差,波紋管在水流壓力作用下出現扭曲損壞,即柱狀失穩(wěn)[2]。
由于沒有導向筒,波紋管內部與外部形狀一致,均為波紋形狀,水壓沖擊較大時,波紋管易發(fā)生失穩(wěn),主要的力學因素是由于內壓引起的沿徑線作用的彎曲應力過大,在波峰與波谷處形成塑性鉸[3]。
該抽水蓄能電站空冷器進出/水為上進/上出,管路支撐點位置較遠,波紋補償器支撐剛度較弱,不能有效限制其橫向位移,也是發(fā)生柱失穩(wěn)的因素。
綜合以上該抽水蓄能電站發(fā)電電動機空冷器波紋管補償器出現失穩(wěn)的分析,可見其主要原因,一個是選型結構問題,另一個是安裝問題,相應采取以下處理措施:
(1)為減小波紋管內部水壓擾動,并提高波紋管本身的抗橫向變形能力,對波紋管補償器的結構進行改進,主要是在波紋管內部增加導流筒設計[4],在補償器中安裝導流筒,導流筒又稱導向筒,可以有效的固定方向,保護波紋管的內壁,同時波紋管增加內導流筒后其內孔直徑不小于波紋管兩側連接管路內孔直徑,不會對冷卻水流動產生阻礙作用,見圖3。
圖3 更換結構的波紋管補償器示意圖Figure 3 Schematic diagram of bellows compensator for replacement structure
(2)改進波紋管補償器安裝工藝,對已安裝管路進行檢查,存在軸向及橫向偏差較大的管路進行重新配管,保證上下管路的同心,嚴禁采用波紋管補償器變形的方法來調整管道的安裝超差[5];在安裝過程中,不允許焊渣飛濺到波殼表面,不允許波殼受到其他機械損傷[6];安裝完畢后,及時拆除波紋管補償器上用作安裝運輸的輔助定位構件及緊固件,補償器所有活動元件不得被外部構件卡死或限制其活動范圍,保證各活動部位的正常動作[7];水壓試驗時,對裝有補償器管路端部的固定管架進行加固,使管路不發(fā)生移動或轉動[8]。
(3)為減小機組運行過程中的管路振動,增強管路的穩(wěn)定性,空冷器進出水管增設部分固定管夾。
波紋管補償器的失穩(wěn),在管道試壓和長期運行過程中均有可能發(fā)生。試運行期間失效的主要原因是選型和安裝不符合要求造成。該抽水蓄能電站發(fā)電電動機空冷器波紋管失穩(wěn)是在試運行期發(fā)生的,不存在腐蝕泄漏的可能,因此,正確地選擇波紋管結構,嚴格按工藝要求安裝,是保證抽水蓄能技術供水波紋管補償器安全可靠性的有效措施。