电站锅炉除氧器连接管开裂原因分析及改进

　　近年来，我国经济发展迅速。在我国电力行业中，电力需求日益增长，电网容量逐步扩大，电站锅炉装机容量加大，大批高参数、大容量机组应运而生，对各种机电设备及其连接管道可靠性和安全性的要求也越来越高。随着管径和壁厚的增大，管道所承受的压力和温度不断提高，这都对管道的设计提出了更高的要求。管道长期在高温高压工况下运行，如果设计不当，容易使得管道及管道与设备连接部位在运行过程中承受较大的载荷、弯矩和应力，从而发生材质疲劳及产生裂纹，严重时将造成事故，给电站员工的人身安全和国内财产带来严重威胁。因此开展应力分析来保障管道运行的安全性变得更为重要。

　　管道应力分析是管道设计的基础，其在管道优化设计及确保管道安全方面有着十分重要的作用。其主要功能是对所设计管道的强度、安全性等进行评价，为管道设计提供理论依据。对于电站锅炉管道，应力主要来源于管道承受内压力、外部载荷以及热膨胀等。在这些因素的共同作用下，管道应力形态非常复杂。因而，目前的管道应力分析通常需要借助应力分析软件（如Caesar II 等）在计算机上进行，通过管道应力分析与计算，研究管道在复杂应力形态下产生的力、弯矩及应力，从而评价管道安全性及进行优化设计。目前已经有不少这方面的研究已经开展。包括管道布置优化、支吊架失效分析及处理 和支吊架弹簧选型及优化等。

　　本文对浙江省某电厂一台锅炉上除氧器连接管开裂的问题进行了分析，并结合应力分析软件提出了改进方案。

1 问题描述

　　在电站锅炉系统中，除氧器是锅炉给水预处理系统中的重要设备, 在高温、高压条件下工作，内部含有一定压力的饱和水，如发生事故，可能造成较为严重的后果。在浙江省某电厂的一台锅炉上，出现了除氧器与管道连接部位开裂的问题。该除氧器及其连接管道的布置与走向如图1 所示。管道连接辅助蒸汽母管和除氧器，用于将辅助蒸汽送入除氧器加热给水，实现给水除氧。该管道总长为28.72m，为支撑管道重量及控制管道变形，沿程设置有4 个弹簧支吊架，其中1 号为双弹簧变力吊架，2 号为单弹簧恒力吊架，3 号、4 号则均为单弹簧变力支架。该管道的运行压力及温度分别为1.47MPa 和350℃。在长期运行过程中发现除氧器与管道连接部位（即F 点位置）的上部出现了一些裂纹。这些裂纹虽没有发展到非常严重的程度，但如果不采取措施任其扩展，则有可能造成较为严重的后果。因此必须对这一问题进行分析并进行整改。

图1 除氧器及其连接管道

2 原因分析及改进措施

　　对于电站锅炉除氧器与管道连接部位出现裂纹的问题，其直接原因必然是该连接部位在工作过程中应力较大，从而在较长时间的工作过程中使得材料逐渐疲劳，终导致了裂纹的产生。而造成应力较大的原因，则需要从管道布置与走向来进行研究。分析该管道的结构，可以看到，BC 段管道长度为16.6m，占管道全长的58%，而CD 段管道和DE 段管道的长度分别只有3.3m 和2.35m，这就使得在热态运行过程中，当BC 段发生热膨胀时（此时C 点的热膨胀位移是向上的），CD 和DE 段无法将热膨胀有效吸收，从而使得E 点承受较多的转嫁热位移，终造成EF 段向上受力过大，且使得F 点承受较大的弯矩，造成F 点位置应力集中。

　　为了改进F 点应力集中的问题，则需要寻找在热态运行过程中能有效吸收BC 段热膨胀的方法。本文提出的一种方法是结合现场空间情况，将CD 段的长度延长2.5m，再折回E 点，同时考虑支吊架布置的跨距要求，在折回E 点的管段上再增加一个弹簧支架（5号支吊架）。改进后的管道布置图如图2 所示。这样设计的管道能够满足现场的空间要求，同时又额外增加了5m 的管道来吸收C 点的向上热位移，如此就能减小EF 段的受力及F 点所承受的弯矩，从而减小F点的应力，降低了该位置出现裂纹的可能性。

图2 改进后的管道布置及走向

3 应力分析验证

　　对于上述改进方法的有效性，以下采用应力分析方法进行验证。利用应力分析软件CAESAR II 分别对原管道和改进后管道进行1:1 建模（见图3）。管道沿程的4 个支吊架也按照实际的参数进行设置，改进后管道所增加的5 号支吊架则由软件自动选择，各支吊架的参数见表1。通过应力分析可计算F 点的受力、承载弯矩情况及应力大小。

图3 原管道和改进后管道建模情况

表1 各支吊架参数

　　F 点的应力分析计算结果见表2。从计算结果可以看到，改进管道布置后，在工作状态下，F 点的受力由7568N 降低至4541N，而所承受的弯矩也由33018N·m降至17783N·m。同时，一次应力由44272.3kPa 升高到47640.8kPa，二次应力则由27405.9kPa 降低至6948.1kPa。上述结果表明，进行改进后，减小了F 点的受力及承受的弯矩，虽然由于管道总重量的增加略微提高了一次应力，但显著降低了二次应力，这就使得F 点在长期工作状态下的应力得到了降低。因此，通过应力软件分析可以证明，这一改进方法能够有效降低除氧器与管道连接部位产生裂纹的可能性, 从而提高了该管道在长期使用中的安全性。

表2 F 点应力分析计算结果

4 总结与讨论

　　本文的主要工作是对浙江省某电厂一台锅炉上除氧器连接管开裂的问题进行了分析研究，并结合应力分析软件提出及验证了改进方案。主要结论有以下几点：

　　1）除氧器与管道连接部位开裂的直接原因在于该部位在长期运行过程中存在应力集中现象。

　　2）造成除氧器与管道连接部位应力集中的主要原因是该管道垂直上升段过长且在与设备相连之前没有足够的管段来吸收热膨胀。

　　3）本文提出了一种改进方案，对较长管段的热膨胀进行了有效吸收，减小了除氧器的受力及所承受弯矩，降低了应力水平，提高了除氧器在长期使用中的安全性。

　　从上述结论可以看到，对于较长管段与设备相连的问题，应当充分考虑该管段的热膨胀性，可通过设置较长的过渡管段有效吸收热位移后再与设备相连来减少设备的受力与所承受弯矩，从而降低应力水平，提高长期使用的安全性。