火力发电厂管系金属部件失效类型及预防措施

火力发电厂管系金属部件失效类型及预防措施
张小平，薛旻，丁吉伟
（华润电力（常熟）有限公司，江苏常熟215536）
摘要：金属构件在约束不当（过约束或欠约束）的情况下运行时，极易发生各种失效。

从失效状态、原因分析、结构改进等3个方面对火力发电厂管系结构不合理金属构件的监督方法进行了探讨，概述此类隐患处于萌芽状态时最有效的监督方法，展望金属构件结构方面监督的方向。

关键词：过约束；欠约束；膨胀受阻；三向位移；自由度
中图分类号：TL38+7文献标识码：B DOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2019.02D.31
0引言
火力发电厂的管系在工作中受力非常复杂，既有内压和持续外载产生的一次应力，又有热胀冷缩等变形受约束产生的二次应力，还有管系结构在不连续处由于局部应力集中而发生的一次应力和二次应力增量的峰值应力[1]。

随着火力发电机组服役年限的增加，一些因设计时对构件力系考虑不周、安装时未按图施工的金属构件会提前出现扭转、偏斜、开裂等失效，给机组安全运行带来不必要的损失。

若将此类缺陷消除在萌芽状态，则会对国家经济发展和安全生产带来巨大效益。

着重探讨火力发电厂管系结构不合理金属构件的常见缺陷以及结构不合理金属构件的改进方法。

1结构不合理金属构件失效
结构不合理主要表现在2个方面：一是对金属构件的膨胀、摆动、弯曲等行为过分约束（约束是对独立运动所加的限制，每加1个约束构件便失去1个自由度[2]），即过约束；二是对金属构件的膨胀、摆动、弯曲等行为不去约束，即欠约束。

（1）金属构件过约束造成的失效。

某厂600MW机组发现右侧水冷壁上集箱右数第二根管子在服役时间约为70000h，从鳍片处撕裂（图1、图2）。

水冷壁管规格Ф31.8mm×5.5mm，材料为SA-213T12；水冷壁出口集箱规格Ф273mm×65mm，材料为SA-335P12。

（2）金属构件欠约束造成的
失效。

某厂高温再热器出口在顶
棚下方150mm处设计一道材料
为T91/TP347H，规格为Ф51mm×
4.3mm的异种钢焊缝，该焊缝
多次开裂[3]（图3、4）。

2结构不合理金属构件失效原
因分析
2.1过约束失效原因分析
金属构件的过约束在工程中
主要表现为膨胀受阻，由于任何
金属在温度变化情况下，均会发
生伸长或者缩短。

如果限制其自由膨胀路途，则该状态下的金属
构件总会寻找一种设计预想之
外的三向位移路线。

随着服役时
间的增加，该处金属材料所受应
力超过阈值时，则提前失效。

分析图1、图2所示水冷壁
管失效情况，发现在锅炉运行
状态下，水冷壁集箱向两侧膨
胀延伸，其下部连接的水冷壁
小管左右弯曲来适应集箱长度
的变化，由于紧靠集箱的水冷
壁管子自由段较短，因而造成
管子刚性过大，其左右弯曲的
幅度较小，该处最薄弱的部位
是鳍片与水冷壁管焊缝的热影
响区，因而当水冷壁管X方向
的自由膨胀受阻时，为了释放
巨大的拉应力，则管子与鳍片
之间焊缝的热影响区被撕裂。

2.2欠约束失效原因分析
金属构件的欠约束在工程
中表现为刚度不足，从而摆动
自由。

在自然界，动物和植物都需要有足够的刚度以维持其外形。

在工程上，有些机械、桥梁、建筑物、飞行器和舰船就因为
结图1管口撕裂侧面形貌
图2失效管子所在位置
图3高温再热器异种钢
焊缝裂纹
图4高温再热器异种钢失效焊缝位
置
设备管理与维修2019№2（下）
设备管理与维修
2019№2（下）
构刚度不够而出现失稳，或在流场中发生颤振等灾难性事故[4]。

火力发电厂金属构件在设计时，如果没有按规范要求确保结构有足够的刚度，则该设备无法运行或者在运行中由于部件的不稳定造成交变应力过大、过频繁，
从而使部件提前失效。

分析图3、图4所示高温再热器管失效情况，发现：①高再管子长度12.68m ，虽然10根管子组成一组，
基本限制了管子的前后方向的自由度，但其在左右方向未受到任何控制，因此对于整屏管子来说，其刚性依然不足，
在机组运行中，会不断晃动；②当管屏晃动产生的交变应力、管子内压产生的一次应力以及
热应力、焊接残余应力等二次应力的共同叠加在管子死点位置
时，会使该区域应力集中显著，当超过阈值时，该处管子会发生疲劳断裂；③焊缝的力学性能一般劣于母材，异种钢焊缝的性能更是劣于同种钢焊缝，对于整根管子来说该处异种钢焊缝是最薄弱的环节。

因此异种钢焊接接头会首先发生疲劳断裂。

综上，高温再热器管晃动是造成此种失效的根本原因。

如果
减少管子晃动，就不会出现②和③）描述的现象。

3结构不合理金属构件的改进
金属构件在设计时，要充分考虑其结构合理性，
对于金属的热胀冷缩现象，应最大可能的疏而不堵：既不能同时限制其三向位移，又不能任其自由活动。

3.1
过约束金属构件的改进
对于一台设备，对金属构件进行约束是必须的。

但是通过分析服役状态发现，只需要可靠约束构件载荷方向的自由度，
对于非载荷方向的伸缩，则允许适度的自由。

因此在系统中除限位装置、刚性支吊架与固定支吊架外，应保证系统的自由膨胀[5]。

在设计中限制和自由选取得当，即“合理自由、适度限制”，即可保证金属构件稳定可靠运行。

图1、图2中的水冷壁管子，在设备服役过程中，
允许其在左右方向上产生倾斜，因此，只要解除该方向的约束，则可避免此类问题。

在处理时，只需加长Z 向自由管子的长度，将紧靠集
箱的管子之间的鳍片开一条缝隙，就能使水冷壁小管随集箱长度的变化而自由弯曲，从而消除该隐患（图5）。

在工程实际中，人们采取了很多种解除过约束的措施，如：在高温蒸汽管中设计三向膨胀弯，以吸收其三向冷热位移（图6）。

管系在服役中，需要配以支撑、悬吊、导向装置限制管系的自由度才能达到使用要求，但支吊架的设计均选取单向或
双向限制、一向自由的设计，
杜绝在某一点全部限制其自由度（图7）。

所以，对于过约束的金属构件，需要适当释放对其自由度的限制，对构件自由度的的控制，尽量不要在同一点全部限
制，采用多点限制的方法来实现其三向位移的控制。

在日常监
督中，重点排查温度变化较大的金属构件的膨胀受阻情况，及时解除限制，改善金属构件的受力状态，保证金属构件能在全
寿命周期服役。

3.2
欠约束金属构件的改进
金属构件长度越长时，
刚性越小，如果对其约束不当，则会造成构件摆动、扭转等不利现象，在工程中，通常在合适的距离限制其特定的自由度来实
现对构件的约束。

对于图3、图4所示的高温再热器，管子的来回摆动不会产生任何安全及经济收益，是一种有害的运动。

在锅炉运
行中，如能减少管子摆动，对顶棚下高再管子死点位置高再管
子的受力状况大大改善。

只需要增加高再管子的刚性，则可将管子晃动的频率和振幅控制在可以接收的范围之内，从而大大减少顶棚下高再管子死点位置的有害应力。

在处理该问题时，可将6
组高再管屏高度方向上每隔
（6~8）m 通过一层角钢固定，
限制其在左右方向的自由度（图8）。

这样，水平固定角钢和屏管原有的夹持装置使该组管屏形成一个整体，使其刚性得到提高，再辅助以将薄弱的异种钢
焊缝移至远离死点的位置，
则彻底解决了此处异种钢失效问题，
减少发电厂经济损失。

在工程实际中，人们采取了很多种限制欠约束的措施，
如：通过增加管座根部的厚度，使引出管根部的刚度增加，从而减少管座角焊缝失效的概率等。

因此，对于欠约束的金属构件，从增强该构件的刚性出发，尽可能降低该构件的长细比，降低金属构件在运行中的振动频率，减少振幅，尽量使构件在力系中形成一个整体，
合理限制其自由度。

在日常监督中，重视支吊架、固定装置、导向装置的重要性，及时修复上述设备的缺陷，当发现异常时，
进行针对性检查、处理。

4结语
（1）管系结构不合理主要表现为金属构件自由度的过约
束
图5鳍片分离长度增加形貌
图6高温蒸汽管膨胀弯形貌
图7支吊架双向限制、
一向自由布置
图8多屏组合固定形
貌
挖泥船液压系统泄漏的原因及措施
金瑞生
（中交天航滨海环保浚航工程有限公司，天津300450）
摘要：液压油泄漏不仅会影响传动系统的正常工作，严重时还会污染和破坏海洋环境和大气环境，因此需要尽快解决液压油泄漏的问题。

阐述挖泥船只液压油泄漏的主要原因以及改进措施。

关键词：挖泥船；液压系统；液压油；泄漏；原因；措施
中图分类号：TH137文献标识码：B DOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2019.02D.32
0引言
随着我国科学技术的迅猛发展，目前我国的机械传动中液压技术的应用范围越来越广。

但是，液压系统工作过程中的液压油泄漏问题，会导致液压系统的工作性能变差，而且也容易对液压系统内部的元件造成破坏和影响。

泄漏是液压系统在工作中经常出现的问题，尤其是在挖泥船中，这种泄漏现象更加普遍。

液压油泄漏，通常是液压油在液压系统内部流动时，受到液压零器件等之间的压力差造成的，也有可能是因为液压元件之间存在一定的间隙而造成的。

液压油泄漏，对船方来说是一种经济损失，对于大气环境和海洋环境则具有很大的污染性和破坏性。

因此找到液压油泄漏的主要原因，提升液压技术，加大对液压系统的完善和改进，提出针对性的、有效的改善措施，减少液压油的泄漏情况，是目前急需解决的问题。

1挖泥船和液压系统的作用
挖泥船主要用于清理湖底的淤泥，保证水道的畅通，为很多浅水港输送货物带来了方便。

挖泥船要求抓斗能够在水下一定范围内进行挖泥，并将所抓淤泥、杂质等通过放泥箱输送到后面的装泥船上。

作为水利清淤、河道治理、航道疏通、环保清污、水域吹填、岛屿建设以及各种市政建设的主要设备，挖泥船的应用型非常广泛，其应用前景也非常可观。

挖泥船每小时的清水流量能够达到1500m3，输送距离能够达到500m左右，每小时清淤干浆能达到200m3，挖泥船可以分为岸边高效抽沙船、湖中高效抽沙船、钻探式挖沙船等，其工作量基本上能够达到每小时（60~150）m3，最大排水距离能够达到五六百米。

挖泥船的液压系统主要由液压泵、控制阀、油缸、油路、油箱等组成，利用液压泵将液压油吸取出来，再通过油管将其传出到油缸。

由于挖泥船每次所执行的任务的范围、规模、难度等不同，对于液压阀、液压泵的使用也不同。

2泄漏的分类
按流向油液泄露可以分为内泄漏和外泄漏2种：外泄漏指的是液压油在液压系统中进行各部位之间的传输的过程中，由于液压元件之间的间隙原因等造成液压油从液压系统中泄漏到了外部环境；内泄漏则是指由于液压系统内各种气压的不平衡原因，导致产生气压差，造成了液压系统内部之间的高低压之间的液压油泄漏。

工程机械液压系统常见的泄漏还可以分为固定密封处泄漏、运动密封处泄漏等。

3挖泥船液压系统泄露的原因
3.1设计方面的问题
密封件都是经过严格的设计程序和标准进行设计的，因此在对密封件进行加工的过程中，一定要严格根据加工标准和设计要求、正确安装、合理使用的原则，以尽可能地减小泄漏率。

但是，挖泥船长期处在一个具有尘埃和泥沙的工作环境中，工作时由于污物的进入导致系统的密封被破坏、油液很容易遭到外部的污染，从而引起液压油泄漏。

在静密封件表面参数设计的过程中，为了防止油液外泄，要对密封槽的尺寸、公差等参数进行合理地设计和计算，使安装之后的密封件在工作中受到挤压变形时能够最大限度地维持凹度，并把密封件内应力提高到高于被密封的压力。

当零件的刚度或螺栓紧力不够大时，配合表面将在
和欠约束。

（2）管系结构不合理的金属构件一般会在服役一段时间后失效，存在一定隐蔽性，在日常监督中不易发现。

（3）当与构件连接的设备出现变形或者非正常的位移时，及时分析该系统的服役环境和受力状态，尽可能采用疏而不堵的方式，解除金属构件的过约束，增强金属构件的欠约束。

（4）在设计阶段，重视管系冷态、热态的应力分析，考虑管系的冷热位移，留足膨胀间隙。

（5）在设计阶段，尽量将焊缝、结构突变等本质较薄弱的结构避开构件服役中受力较复杂的区域。

参考文献
［1］蔡文河，严苏星.电站重要金属部件的失效及其监督［M］.北京：中国电力出版社，2009.
［2］朱家诚，王纯贤.机械设计基础［M］.合肥：合肥工业大学出版社，2003.［3］杨贤标，杨超，马军鹏，等.江苏省并网电厂2010年度金属技术监督总结［C］.2010年度金属专业会议，2011.
［4］周衍柏.理论力学［M］.北京：高等教育出版社，1997.
［5］DL/T616-2006，火力发电厂汽水管道与支吊架维修调整导则［S］.
北京：中国电力出版社，2006.
〔编辑吴建卿
〕
设备管理与维修2019№2（下）。