胡高斌，鐘治琨，汪 濤，周 飛，彭 浩

（江蘇國信靖江發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 214500）

某公司于2015年正式投產(chǎn)兩臺660 MW超臨界機(jī)組，每臺機(jī)組配備兩臺由沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司制造的MDG366型汽動給水泵。此類型抽芯包式給水泵中間抽頭管與泵蓋無法焊接固定、為公差間隙配合，若裝配不當(dāng)，更易導(dǎo)致中間抽頭管在運(yùn)行中斷裂，為機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行留下了隱患；#1、#2機(jī)組汽動給水泵均在檢修中發(fā)現(xiàn)了中間抽頭管損壞或斷裂的情況。2016~2018年期間陸續(xù)發(fā)生#1、#2機(jī)組汽動給水泵中間抽頭管均出現(xiàn)損壞甚至斷裂的情況。

第二級葉輪出口通過中間抽頭管引出作為再熱器減溫水，該減溫水對機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性影響很大，一般再熱器噴水流量每增加鍋爐額定負(fù)荷的1%，機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性降低約0.2%。中間抽頭管斷裂后會導(dǎo)致汽動給水泵RB、機(jī)組甩負(fù)荷，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組跳閘；且會導(dǎo)致次生災(zāi)害發(fā)生，如平衡管斷裂、密封腔室泄漏等事故，嚴(yán)重影響人身及設(shè)備安全。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及故障情況簡介

1.1 設(shè)備簡介

該類型汽動給水泵共6級，其中第二級葉輪出口通過中間抽頭管引出作為再熱器減溫水，在給水泵的驅(qū)動端側(cè)；由于此種類型給水泵采用芯包式，轉(zhuǎn)動部件均在芯包內(nèi)，其檢修方便；但也因為此結(jié)構(gòu)，作為引出減溫水的中間抽頭管無法采用焊接固定，和驅(qū)動端泵蓋只能通過間隙配合，配合部位采用密封組件防止泄露。

1.2 改造前現(xiàn)場情況

（1）#1機(jī)組B汽動給水泵中間抽頭斷裂情況。2016年9月5日，#1機(jī)組運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)#1B汽動給水泵平衡管靠近驅(qū)動端位置的彎頭焊縫漏氣，緊急停泵檢查處理。解體后發(fā)現(xiàn)#1B汽動給水泵一側(cè)中間抽頭管已完全斷裂。

（2）#2機(jī)組A汽動給水泵中間抽頭損壞情況。2018年9月16日，#2機(jī)組C修時抽查發(fā)現(xiàn)#2A汽動給水泵中間抽頭管變徑處損壞嚴(yán)重，幾近斷裂。

由于中間抽頭管是焊接在給水泵芯包上的，若想快速消除中間抽頭故障，只能進(jìn)行整體抽芯包更換，而芯包為日本三菱進(jìn)口，整套備件價格約150萬元，價格昂貴；若給水泵芯包（含中間抽頭管）進(jìn)行返廠修復(fù)，整個檢修周期約1個月，檢修工期較長，嚴(yán)重影響了機(jī)組的正常啟動和運(yùn)行。

綜上，為克服MDG366型汽動給水泵中間抽頭管易斷裂、斷裂后易導(dǎo)致次生事故、備件價格昂貴、修復(fù)周期長等不利因素，決定對中間抽頭管及配合部件進(jìn)行整體優(yōu)化改造。

2 中間抽頭管斷裂故障分析

2.1 材質(zhì)檢測

（1）光譜分析。經(jīng)對斷裂抽頭管、未斷裂抽頭管及其與芯包殼體連接角焊縫進(jìn)行光譜分析，確認(rèn)抽頭管材質(zhì)均為18-8系列不銹鋼，推斷為SUS304，與最初提供的材料牌號SUS403Q不符 。

（2）硬度檢測。經(jīng)對斷裂抽頭管、未斷裂抽頭管及芯包殼體進(jìn)行便攜式里氏硬度檢測，除新備品上一只抽頭管的Cr、Ni含量略低于標(biāo)準(zhǔn)外，確認(rèn)抽頭管材質(zhì)均為18-8系列不銹鋼，推斷為SUS304，與最初提供的材料牌號SUS403Q不符。

由于抽頭管和芯包殼體是異種鋼焊接，抽頭管是奧氏體不銹鋼材質(zhì)，芯包體是馬氏體鑄鋼件，而異種鋼的焊接易產(chǎn)生焊瘤、密集氣孔、未熔合、咬邊等焊接缺陷，最終導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)失效。

2.2 焊接形式

通過中間抽頭管斷口不難發(fā)現(xiàn)該抽頭管與芯包殼體的連接角焊縫未開任何坡口，為非全焊透結(jié)構(gòu)的角接接頭形式。管子壁厚約11 mm，焊腳高度卻僅為6.5 mm左右，即焊縫強(qiáng)度裕量不足和存在應(yīng)力集中導(dǎo)致該處焊縫容易產(chǎn)生開裂。其次，在焊縫接頭處，抽頭管有一小段插入管孔，導(dǎo)致管內(nèi)流道不平滑、存在一個3 mm左右高的臺階環(huán)對高速水流產(chǎn)生阻力，由于抽頭管根部原焊縫為角焊縫，該推力會產(chǎn)生較大的力矩，易導(dǎo)致焊縫裂紋的出現(xiàn)。

綜上，抽頭管與芯包殼體材料差異以及焊接結(jié)構(gòu)不合理是該處焊縫易自焊縫根部起裂，并逐漸向外擴(kuò)展的原因，這也是改造實施中需要解決的不利因素。

3 改造優(yōu)化實施方案

3.1 優(yōu)化抽頭管材質(zhì)選取與制造工藝

對抽頭管各部位的內(nèi)外徑、抽頭管焊縫焊腳高度、芯包殼體上的孔內(nèi)徑、孔深等尺寸進(jìn)行測量，還原了抽頭管與芯包殼體連接接頭形式和各部分尺寸。采用與說明書要求一致的材料牌號為SUS403Q的馬氏體不銹鋼重新加工新的中間抽頭管，SUS403不銹鋼是日本JIS標(biāo)準(zhǔn)中的一種耐熱鋼類型馬氏體不銹鋼，基本組成成分13Cr-低Si，在一定溫度下能承受高應(yīng)力，在淡水及蒸汽條件下耐腐蝕，是可用于汽輪機(jī)葉片及高應(yīng)力部件的優(yōu)良不銹鋼耐熱鋼。為提高抽頭套管材料的內(nèi)在質(zhì)量，采用鍛造材料掏孔的方式，確保材料無缺陷；抽頭管尺寸與原抽頭管一致以保證裝配間隙。

3.2 研發(fā)應(yīng)用焊接工裝和壓板工具

由于抽頭管和泵蓋的公差間隙配合是導(dǎo)致中間抽頭管易斷裂的根本原因，故為減小抽頭管焊接時的中心偏差，設(shè)計并開發(fā)出一種抽頭管焊接工裝（如圖1），先把壓板下半部分裝至芯包并固定，然后把抽頭管焊接工裝裝入，最后把壓板上半部分裝好并擰緊壓板螺栓進(jìn)行固定，讓工裝的平面緊靠芯包。經(jīng)過實際測量，不采用焊接工裝抽頭管的中心誤差可達(dá)到2 mm左右，而采用焊接工裝進(jìn)行焊接后抽頭管的中心誤差不超過0.5 mm。

圖1 中間抽頭管焊接工裝和壓板圖

3.3 采用新型的焊縫結(jié)構(gòu)和焊接工藝

由上文原因分析可知，汽動給水泵中間抽頭管易破損和斷裂，一個主要原因在于抽頭管與芯包殼體的連接角焊縫未開任何坡口，為非全焊透結(jié)構(gòu)的角接頭形式，即焊縫強(qiáng)度裕量不足加上存在應(yīng)力集中導(dǎo)致焊縫容易產(chǎn)生開裂。針對這種情況，研究并設(shè)計出一種中間抽頭管新型焊縫結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化焊接工藝，以保證新的焊接結(jié)構(gòu)和工藝下焊縫的強(qiáng)度。

如圖2，為避免單V型角焊縫容易產(chǎn)生尖點應(yīng)力集中的現(xiàn)象，將套管的焊接位置加工成圓弧，最終形成單U型焊縫，焊接質(zhì)量更好，不易形成應(yīng)力集中。套管和基體之間的徑向間隙盡量縮小以保證焊接后的位置，盡量縮小焊接完成后套管和基體間的軸向間隙（由3 mm縮小為1.5 mm），以減少軸向高壓水流的作用力。

圖2 中間抽頭管新型焊接結(jié)構(gòu)示意圖

焊接選用熔覆性能和強(qiáng)度、塑性、韌性更好的鎳基焊條，焊接前預(yù)熱工件至100~150 ℃，烘干加熱焊條至350 ℃；焊接時減小電流，控制層間溫度控制在150℃，均勻焊接以減少工件的變形，保證工件的焊接質(zhì)量。

3.4 建立抽頭管故障預(yù)警分析模型

由于本公司汽動給水泵多次發(fā)生中間抽頭管損壞或斷裂的情況，導(dǎo)致給水泵組RB甚至機(jī)組甩負(fù)荷，嚴(yán)重威脅人身及設(shè)備安全和機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，所以需要一個數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行輔助判斷，以期及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障苗頭并加以干預(yù)，減少設(shè)備損失和次生災(zāi)害。故技術(shù)團(tuán)隊抓住中間抽頭管故障和給水流量前后變化的一致性這一關(guān)鍵因素，研究建立了汽動給水泵中間抽頭管故障分析模型，通過模型可以更直觀準(zhǔn)確地對汽動給水泵中間抽頭管故障進(jìn)行輔助分析，可以在設(shè)備故障的初始階段及時發(fā)出預(yù)警，從而設(shè)備管理人員可以對設(shè)備進(jìn)行提前針對性檢修，避免故障擴(kuò)大和設(shè)備進(jìn)一步損壞。

抽頭管預(yù)測模型基于origin和matlab等軟件，使用origin進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合建模，把模型數(shù)據(jù)通過編程寫入至matlab中，最后取計算值和實際值的方差并設(shè)置報警值，最后通過matlab作圖輸出預(yù)測結(jié)果。

若一段時間內(nèi)實際值和預(yù)測值的方差頻繁超過紅色警戒線，說明設(shè)備很有可能已經(jīng)出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象但未擴(kuò)大，需要及時停運(yùn)檢查，這可以幫助設(shè)備管理維護(hù)人員在設(shè)備故障的初期及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，及時停運(yùn)檢修從而避免設(shè)備損壞擴(kuò)大或造成次生災(zāi)害，起到預(yù)測和輔助判斷的作用，圖3即這種故障情況下模型的預(yù)測輸出圖像。

圖3 中間抽頭管故障分析模型流程示意圖

圖3取自2018年8月15日至9月10日共26天內(nèi)#2A汽動給水泵運(yùn)行時（即前文中#2機(jī)組A汽泵中間抽頭管損壞前）數(shù)據(jù)，由輸出結(jié)果圖像可知，從第9月7日開始（圖3中紅色矩形部分），預(yù)測結(jié)果已接近報警值，在報警線上下晃動，說明這階段中間抽頭已損壞、泄漏量已接近報警值；至9月8日開始至停機(jī)檢修（9月11日），預(yù)測結(jié)果已經(jīng)均超過報警值，說明在高壓給水的作用下，抽頭管泄漏增大，急需停泵檢修，最后檢查結(jié)果也是與模型預(yù)測圖像結(jié)果一致：抽頭管出現(xiàn)損壞、幾近斷裂，從側(cè)面佐證了預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和實用性。

4 成果驗證及應(yīng)用價值

4.1 改造實施后成果驗證情況

改造實施后汽動給水泵運(yùn)行良好，泵的出力等參數(shù)與修前基本一致，滿足運(yùn)行需要。其中#2A汽動給水泵中間抽頭管于2018年9月實施改造，穩(wěn)定運(yùn)行2年7個月后，于2021年5月份進(jìn)行復(fù)查，檢查發(fā)現(xiàn)中間抽頭管無損壞或異?，F(xiàn)象；#1機(jī)組A、B汽動給水泵中間抽頭管于2019年11月實施改造，穩(wěn)定運(yùn)行2年后，于2021年11月份進(jìn)行復(fù)查，檢查發(fā)現(xiàn)中間抽頭管無損壞或異?，F(xiàn)象。由此可見，#1、#2機(jī)組3臺汽動給水泵中間抽頭管改造后均運(yùn)行兩年以上，復(fù)查時均未發(fā)現(xiàn)異常，汽動給水泵中間抽頭管易斷裂的重大安全隱患已消除。

4.2 成果應(yīng)用價值

通過上文運(yùn)行振動數(shù)據(jù)和歷次對汽動給水泵中間抽頭的檢查結(jié)果可以看出，操作法實施后，不僅解決了中間抽頭管易斷裂的重大安全隱患，保證了人身和設(shè)備安全，為機(jī)組安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行打下基礎(chǔ)，且改造后的性能完全滿足運(yùn)行要求，檢修成本顯著降低。

正常運(yùn)行時設(shè)備管理人員還可通過抽頭管故障分析模型對運(yùn)行的汽動給水泵進(jìn)行輔助監(jiān)視，隨時可以判斷汽動給水泵中間抽頭的情況，真正實現(xiàn)對汽動給水泵的動態(tài)監(jiān)視和狀態(tài)檢修。

經(jīng)過3年多的跟蹤、記錄、分析，認(rèn)為實施后在各種工況下的運(yùn)行參數(shù)符合汽動給水泵的設(shè)計要求，給水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組在經(jīng)濟(jì)效益和安全效益上得到了很大的提升，且在行業(yè)內(nèi)具有一定的應(yīng)用推廣價值。