凝汽器喉部變形及結構改造

端木彥峰，米　沛

0　概述

火電機組的凝汽器，是利用循環冷卻水將汽輪機的排汽冷凝成水。通過凝結水泵，將凝結水輸送回鍋爐以重復使用。同時，凝汽器在汽輪機排汽處建立了一定的真空度，從而提高了汽輪機的輸出功率。若凝汽器的真空度被降低，將影響機組的熱經濟性。

1　凝汽器現狀

某型機組于1996年投入運行，凝汽器的換熱管為銅質換熱管。至2016年，該機組已服役20年，已接近該凝汽器的使用壽命。近年來，凝汽器的銅質換熱管泄漏嚴重，多次發生泄漏后，被封堵的換熱管較多，凝汽器的換熱面積顯著減少，換熱效率已無法滿足機組運行的要求，亟需對凝汽器進行升級改造。

2　凝汽器的升級改造

2016年，對該機組的凝汽器進行了升級改造，在保留原凝汽器喉部的基礎上，拆除了原凝汽器的管束，并重新對管束排管和水室進行了結構優化。安裝了新管束后，將原銅質換熱管換成奧氏體材質的不銹鋼換熱管。改造后，機組啟動不久，監測到凝汽器的真空度陡然下降。經現場查勘，發現在凝汽器喉部，剛剛更換的波形膨脹節多處發生扭曲和拉伸變形。波形膨脹節的變形狀況，如圖1所示。不銹鋼波形膨脹節的外徑為126 mm，極限拉伸和壓縮尺寸為126±25 mm。實測后，發現波形膨脹節有多處變形，變形后的外徑尺寸為160～180 mm，最大處已達245 mm。在不銹鋼波形膨脹節的局部區域，部分波節已撕裂開口。空氣從開口處進入，凝汽器的真空度被破壞，機組被迫停機。

圖1　波形膨脹節的扭曲變形

3　事故原因及分析

停機，對于機組運行是一次事故。初步查勘后，認為膨脹節撕裂，是因凝汽器的結構改造所造成，所以，應對凝汽器的優化方案重新進行論證。懷疑造成事故的原因，可能有多種因素。在改造凝汽器時，需將原凝汽器管束拆除，但沒有對殼體進行加固處理，致使凝汽器殼體發生變形，導致了凝汽器喉部膨脹節的撕裂。原凝汽器采用的是單波膨脹節，無法吸收水平方向上的膨脹位移，而啟運后，因溫升使凝汽器與低壓缸發生了水平方向上的相對位移，導致了膨脹節的撕裂。

經過多方論證，驗證了該凝汽器安裝的死點位置與低壓缸的死點位置是重合的，所以，凝汽器喉部的波形膨脹節不需要吸收水平膨脹的位移。同時，復核了凝汽器改造的施工方案，包括了加固方案及監理方的審核報告，也沒有發現問題。此時，設計方建議待機組完全冷卻后，再進入凝汽器喉部內部查勘，最終確定產生問題的原因。這樣，有利于制訂有效的處置方案，并建議按原波形膨脹節尺寸，訂購新的波形膨脹節，重新進行更換。

機組冷卻后，查勘了凝汽器的內部，并采集了多項數據。凝汽器喉部的端板和側板，已呈現出整體內凹之勢。最大內凹處，位于凝汽器喉部側板的水平中分點，達248 mm。內凹處外形及變形示意圖，如圖2所示。支撐凝汽器喉部的側板和端板支撐桿，有多處被割斷及虛焊點。支撐桿被割斷及虛焊點的位置，如圖3所示。在喉部斜拉支撐桿和水平支撐桿的相連位置，有10多根水平支撐桿，但在連接焊縫處已被壓斷。被壓斷的支撐桿，如圖4所示。在被壓斷的喉部水平支撐桿表面，有較深的沖蝕銹坑，其斷口無明顯延展變形，呈現脆性斷裂狀。支撐桿的斷口形狀，如圖5所示。

圖2　內凹處外形及變形示意圖

圖3　支撐桿被割斷及虛焊點

圖4　被壓斷的支撐桿

圖5　支撐桿的斷口形狀

在凝汽器改造施工前和完工驗收時，均對凝汽器喉部及波形膨脹節外形進行測量和拍照，改造前后的尺寸未有明顯的變化。因此，凝汽器喉部的塌陷，應在機組啟機之后產生的。在凝汽器的優化方案中，并未對喉部進行改造。結合設備現狀及查勘時拍攝的照片，再次對事故的原因進行了分析。

(1)喉部內部支撐桿的虛焊和割斷的支撐桿，都不是新發生的。此前，從未在喉部進行施工。可能是當年安裝凝汽器時，遺留下的問題。從被割斷支撐桿的位置分析，可能是喉部內部零部件(如減溫減壓器)與支撐桿相互發生了干涉而被割斷。也有些支撐桿沒有與其他零件干涉，但也被割斷。現在猜想，可能當初在調整喉部內零件方向時，因空間不夠，臨時割斷了這些支撐桿，卻沒有及時恢復支撐桿的連接。按照凝汽器的安裝要求，所有被割斷的支撐桿，最后都務必恢復強度連接。若部分支撐桿和內部零部件因干涉而無法直接連接，也應將支撐桿移位至就近位置恢復連接，以確保喉部的整體剛性。可見，當時凝汽器的原設計方案留有較多的安全余量，凝汽器喉部的實際剛性仍高于其屈服的臨界點，因此，凝汽器在此條件下還能安全運行20年。

(2)經過多年運行，喉部的原水平支撐桿長期被蒸汽正向沖刷，在桿表面形成了大量銹坑，最深處約2 mm(原支撐桿規格為108×7)，桿的強度嚴重下降，影響了凝汽器喉部的整體剛性，可能已到了屈服變形的臨界點。

(3)凝汽器改造后，剛啟機時，在真空度下降之前的監測數據顯示，在機組功率相等的情況下，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。說明改造后喉部承受的大氣壓力比改造前略大。可能恰恰是這個壓力，高于了喉部屈服變形的臨界點，于是在大氣壓力的作用下，使喉部壓縮變形。

綜合分析后認為，改造方案無問題，是當初原凝汽器安裝時的質量不佳，導致此次凝汽器喉部的塌陷和變形。

4　返修方案及結構優化

經過討論并制訂了返修方案，更換了所有原凝汽器喉部的水平支撐桿。更換支撐桿前后的狀態，如圖6所示。對各虛焊處進行了補焊，并重新連接了割斷處。新增加兩排水平支撐桿，頂撐了原喉部塌陷處，讓側板重新歸位，最后安裝了新的喉部膨脹節。新增支撐桿及新膨脹節的安裝，如圖7所示。返修后，重新啟機，凝汽器的真空度恢復良好，機組的運行穩定且高效。

圖6　支撐桿更換前后的對比

圖7　新增支撐桿和新膨脹節

5　結語

當老機組設備接近或超過設計壽命時，應及時對老設備進行結構優化改造。通過事故分析，查勘了喉部支撐桿的現狀，發現支撐桿已嚴重銹蝕。建議及時更換損壞的支撐桿，并適當增加喉部支撐桿數量，避免喉部變形事故的發生。對老設備結構的升級改造，需注重現場的查勘工作，才能確保機組的安全運行。

參考文獻:

［1］王龍江.火電廠1 000 MW機組凝汽器變形原因分析與處理［J］.信息技術，2010(5):139-140.