基于疲劳原理探究超(超)临界电站锅炉减温器失效模式

W H I M 金I 安全分析

基于疲劳原理探究超（超）临界电站锅炉

减温器失效模式

马少海^王健1辛林祥2

白宁1

(1 •中国特种设备检测研究院北京100029)(2.天津国投津能发电有限公司天津300480)

I 商

要：本文总结介绍了常见炉型超（超）临界电站锅炉减温器的布置方式和结构形式，并以上海锅炉

厂生产的SG _3005/29.3-M 7008型超超临界锅炉再热器微量喷水减温器为例，基于水汽温差作用下产生的热

疲劳和蒸汽高速冲刷产生的机械振动疲劳原理，探究总结了喷水减温器的失效模式，并提出了设计、制造安装、 运行及检验建议。

关键词：振动疲劳热疲劳超临界超超临界减温器失效模式

Study o n th e F ailure M ode o f D esu p erh eater o f Su p ercritical P ow er and Ultra-

su p ercritical P ow er B oiler b ased on F atigue P rin cip le

Ma Shaohai 1 W ang Jian ' Xin Linxiang 2 Bai Ning 1

(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

(2.Tianjin SDIC Jinneng Electric Power Co ., Ltd Tianjin 300480)

A b stract Arrangement and structure of desuperheaters of common supercritical and ultra - supercritical

power boilers are summarized and introduced in this paper.Taking reheater micro spray desuperheater of SG -3005 /

29.3-M 7008 type ultra-supercritical boiler produced by Shanghai Boiler W orks Ltd as an example , this paper explores and summarizes of the failure mode of spray desuperheater based on the thermal fatigue caused by water vapor temperature difference and the mechanical vibration fatigue caused by high speed steam flow.At last , corresponding suggestions are put forward from the angle of design , manufacture , installation , operation and inspection .

K eyw ord s Vibration fatigue Thermal fatigue Supercritical Ultra-supercritical Desuperheater

Failure mode

中图分类号：X 933.2

文献标识码：B

文章编号：1673—257X (2021)01—0028-05

DOI ： 10.3969/j .

issn . 1673-257X .2021.01.007

1概述

运行中锅炉的过热汽温和再热汽温的变化是不可

避免的。汽温过高会加快金属材料的蠕变，还会使过 热器蒸汽管道等产生额外的热应力，缩短设备使用寿 命，当发生严重超温时，甚至会造成过热器爆管；汽

作者简介：马少海（1988 ~),男，硕士，工程师，从事电 站锅炉检验及研究工作。

通讯作者：马少海，E -mail : 214716117@qq .com 。(收稿日期：2020—02—23)

温过低会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，对叶片 的侵蚀作用加剧，严重时将会发生水击，威胁汽轮机 的安全，还会使得整个电厂的热效率下降m 。因此， 为保证锅炉本身以及有关设备的安全性和经济性，必 须调节控制蒸汽温度、汽温变化速率及持续时间等。 超（超）临界电站锅炉均为直流炉，其过热汽温采用 燃料/给水比加喷水减温进行调节，再热汽温以烟气 侧调节为主，如烟气再循环控制、尾部烟道出口烟气 分配挡板控制、燃烧器摆动控制、低负荷过量空气系 数等，辅以喷水减温进行调节。喷水减温器是一种接

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(

安全分析I第37卷第1期

触式换热器，减温水直接喷入过热蒸汽中，经喷嘴雾 化后的减温水滴从蒸汽中吸收热量后汽化并与蒸汽混 合，从而降低过热蒸汽的温度。喷水减温器具有惯性小、调节灵敏、易于实现自动化、减温幅度大、压力损失小、结构简单等优点，在超（超）临界直流锅炉得到了普 遍应用121。

喷水减温器由筒体、喷水管、喷水管套管、喷头、内套筒、检查孔、定位支撑装置等组成。根据喷水方 式的不同，可以分为喷头式、笛形管式（又称多孔喷 管式）、涡流式和文丘里管式（又称水室式）。表1为常见炉型超（超）临界锅炉减温器的布置方式和结 构形式。

表1常见炉型超（超）临界锅炉减温器的布置方式和结构形式

锅炉型号/机组容量/布置方式制造厂过热器系统再热器系统

HG-1110/25.4- Y M3/350M W/jt型哈锅笛型管式/两级4点莫诺克喷头式/2个微量喷水减温器HG-1913/25.4-YM3/6_W/jt型哈锅笛型管式/两级4点莫诺克喷头式/2个事故喷水减温器

HG-2752/32•87/10•61/3.26-YM l/1000^^W/塔式哈锅笛型管式/两级8点莫诺克喷头式/4个低压再热器减温器+4个高压

再热器减温器

HG-2764/33.5/605/623/623-YM2/ 1000M W/;r型哈锅笛型管式/两级4点莫诺克喷头式/2个微量喷水减温器SG2102/25.4-M954/670MW/3T型上锅笛型管式/两级4点莫诺克喷头式/2个事故喷水减温器SG-3005/29.3-M7008/1O O O M W/t t型上锅笛型管式/三级12点莫诺克喷头式/2个微量喷水减温器SG-2778/32.45-M7053/1000MW /塔式上锅莫诺克喷头式/两级8点一体式/四级12个SG-1120/25 •4-M4411/350M W/jr型上锅笛型管式/两级4点莫诺克喷头式/2个事故喷水减温器DG-1130/25.4-II2/350M W/jt型东锅笛型管式/两级4点笛型管式/2个微量喷水减温器DG2045/26.15-II2/660MW/;r型东锅笛型管式/两级4点笛型管式/2个微童喷水减温器DG3033/26.15-111/IOOOMW/jt型东锅笛型管式/两级4点笛型管式/2个微童喷水减温器B&WB-1136/25.4-M/350MW/;r型北京巴威涡流式/两级4点涡流式/2个事故喷水减温器

从表1可以看出，为防止汽水分离器、水冷壁和每 级过热器受热面上存在较大的温度变化及煤质的改变而 引起过热器特性变化，超（超）临界电站锅炉过热器减 温水较多釆用两级笛型管式减温器，再热器喷水仅用于 紧急事故工况、扰动工况或其它非稳定工况，正常情况 下采用烟气侧控制措施，再热器减温水较多采用一级莫 诺克喷头式减温器。减温器喷管的工作环境十分恶劣，一方面，喷水管外壁承受高温蒸汽作用，内壁承受低温 减温水的快冷，极易导致温差应力热疲劳，另一方面，喷管要承受蒸汽卡门涡流引起的受迫振动，进而产生机 械振动疲劳。近年来，发生频次较高的减温器失效模式 (如笛形管式减温器喷管断裂、莫诺克喷头式减温器进 口水管与喷嘴基座交界位置喷管断裂、涡流式减温器喷 头开裂等）13),均能从上述两方面探究失效原因。下面 以上海锅炉厂生产的一台SG-3005/29.3-M7008型超 超临界锅炉再热器微量喷水减温器为例，计算分析温差 应力热疲劳和机械振动疲劳产生的原因及影响因素，进 而探究避免失效的优化方案。

该减温器喷水管为莫诺克喷头结构，减温器筒体 为沴711m m x40mm，材质为12CrlMoVG,断裂处喷水管规格为445m m x8mm(实测厚度），材料为12CrlMoVG,内套筒规格为<^587_x6mm,材质 为12CrlMoV，再热蒸汽流量为2455t/h(BMCR工 况），减温器最大设计喷水量为125t/h,水温为19(T C (减温水取自给水泵中间抽头），减温器进口蒸汽温度 为536X：，工作压力5.86MPa。锅炉运行1万h左右，再热器微量喷水减温器进口水管与喷嘴基座交界位置喷 管断裂，如图2所示。

图1再热器微量喷水减温器示意图

图2

再热器微置喷水减温器失效