（秦皇岛发电有限责任公司设备部 河北秦皇岛 066003）
摘要：本文介绍了一起典型的旋涡文丘里式喷水减温器的损坏情况，分析了造成喷水减温器损坏的原因，并在此基础上提出了防止该类设备损坏的对策和措施。
关键词：减温器；损坏；原因分析；对策
Abstract：This paper introduces the damage typical vortex Venturi Spray Type Desuperheater，analyzed the causes of damage to reduce water temperature，and puts forward the strategies and measures for preventing the damage of equipment.
Keywords：desuperheater；damage；cause analysis；Countermeasures
1 设备简介
秦皇岛发电有限责任公司2号锅炉型号为BW—670/13.7—M，该型锅炉是引进美国B&W公司技术的产品，锅炉为超高压参数，中间再热，自然循环炉型。
该型锅炉采用两级喷水减温器来调节过热汽温，第一级喷水减温器位于一级过热器出口集箱至屏式过热器进口集箱的连接管道上，左右各一，设计喷水量全部放在这一级，起主调作用，并可保护屏式过热器管壁不超温。第二级减温器位于屏过出口集箱到二级过热器进口集箱的导管上，亦为左右各一，当一级减温器喷水量受到限制或一级减温幅度不能满足时，此级减温器将投入。
一、二级左右侧喷水减温器均为旋涡文丘里式喷水减温器，其主要结构部件包括筒体，喷头，文丘里混合管及衬套等；工作原理是在文丘里式管端部设有一个雾化质量较好的旋涡喷嘴，减温水通过旋涡喷嘴雾化后进入文丘里式管与蒸汽混合，其特点是结构简单，减温水与蒸汽混合较好，减温水雾化质量好，减温幅度大，可用于减温水量变化频繁的工作条件，缺点是旋涡喷嘴为悬臂式结构，容易产生振动而发生断裂。（图1）
1—旋涡式喷嘴；2—减温水管；3—支撑钢碗；
4—减温器联箱；5—文丘利管；6—混合管
图1 旋涡文丘里式喷水减温器结构原理图
减温器筒体（联箱）总长3760mm，规格（φ450×50 12Cr1MoV）；文丘里混合管及衬套为装配件，其作用有两个，一是通过文丘里式管实现减温水与蒸汽的充分混合，二是防止低温减温水直接喷射到筒体内壁产生热疲劳损坏，为满足筒体和衬套之间的相对膨胀，该衬套采用一段固定，一段活动的结构，支撑块仅与衬套焊接，而与筒体内壁不焊接，同时，为防止套管损坏后沿联箱向后移动，在筒体上设置了挡块。喷嘴装置为装配件，其中喷嘴入口为锻件，材质25Cr2MoVA，喷嘴进水管规格（φ60×9 12Cr1MoV），喷头为装配件，喷嘴孔规格φ19mm，管座上安装有套管，喷头上部安装有隔板（支撑钢碗），二者通过过盈配合来实现喷嘴运行中的某种弹性吸振（固定）功能。右侧二级减温器结构与此相同，不同之处仅在于吊耳的位置，左侧二减吊耳位于筒体下部，右侧二减吊耳位于筒体上部。
图2 设备损坏具体部位标示图
2 设备损坏情况
2012年2号机组A级检修中，在开展金属技术监督项目过程中发现左、右侧二减喷嘴入口与喷嘴进水管处焊口断裂，进一步检查发现管座、联箱筒体、文丘里内衬套等部位存在宏观裂纹；左、右侧二级减温器套管与管座焊接部位开焊且套管与钢碗接合面之间过盈配合已经消失；左侧文丘里混合管喉部断裂且减温器外部悬吊装置销子脱出；左、右侧喷嘴入口装置内部半圆倒角处有两条环向裂纹。以上所发现问题的具体位置在二级减温器结构图标示如图2所示（粗箭头所示为焊口断裂部位，红色细箭头所示为发现裂纹部位，蓝色为过盈配合消失部位）。
3 喷嘴装置进水管焊口断裂原因分析
从二级减温器各部位损坏的情况来看，减温器各部位产生裂纹乃至断裂现象的原因应为喷嘴装置进水管口焊口断裂后，大量减温水直接从喷嘴入口喷溅到管座上，并顺套管、套管与管壁之间的焊缝开裂处流到筒体、文丘里套管部位，部件在温差交变应力作用下产生热疲劳裂纹。鉴于以上检查中所发现的问题原因分析已比较清楚，且专业上能形成共识，因此下面重点就喷嘴装置进水管焊口断裂的原因进行深入分析。
3.1 可能导致喷嘴装置进水管焊口断裂的原因有以下几方面：
3.1.1 温差交变应力
在机组运行过程中，由于通过二级减温器筒体（联箱）的蒸汽温度较高，达到434℃，当减温水没有投入时，减温水进水管温度与过热蒸汽温度相同，当投入减温水时，进水管的管壁温度接近减温水的温度，只有160℃，这样，进水管在温差交变应力的作用下，其焊口处易产生裂纹最终导致其断裂。
该原因，即温差交变应力疲劳，也同时发生在一级减温器及再热减温器上，但经检查这两种类型4套减温器未发现喷嘴装置损坏迹象；同时二级减温器喷嘴装置有同管径的两道焊口，这两道焊口在运行中承受的热交变应力是一样的，但上部焊口发生断裂，下部焊口完好无损。鉴于以上两点，分析认为热交变应力疲劳对焊口断裂有一定影响，但应为造成焊口断裂的非主要原因，属于辅助因素。
3.1.2 机械振动疲劳
图3 喷嘴装置发生受迫振动的三种因素示意图
经过流体力学计算得知，减温器筒体（集箱内）蒸汽流速是典型的湍流状态，汽流速度不规则的剧烈变化，对喷管产生激振力。同时流体经过一个圆柱形障碍物时，障碍物后产生卡门涡流，其频率f = 0.22 V/D（V为流体冲刷速度，D为圆柱体外径）。对于2号炉一、二级减温器，因其设计为悬臂式结构，其喷嘴及进水管形状近似于圆柱体，必然存在这种卡门涡流。此外二级减温水从喷管小孔以每秒数百米的速度喷射，这种高速射流对喷管产生很大的反冲力。这三种因素使整个喷嘴装置发生受迫振动（图3），在这三个因素中，卡门漩涡的频率对于整个受迫振动的频率起到决定作用，二者是约等于的关系。当受迫振动的频率（激振频率）与喷嘴装置本身固有的频率（自振频率）相一致时，整个喷嘴就会发生共振，从而导致喷嘴断裂损坏。机械振动疲劳破坏，其断口往往有明显的疲劳纹，裂纹由外表向内发展，断口表面呈细瓷状。
经分析机械振动疲劳是导致二级减温器喷嘴装置进水管焊口断裂的主要原因。
首先，宏观检查断裂焊口表面呈现明显的细瓷状，该点符合振动疲劳损坏的特征。如图4所示。
图4 断裂焊口表面呈现细瓷状
第二，左右侧二减喷嘴入口经金属专业检查均发现内部半圆倒角处有两条环向裂纹说明喷嘴运行中发生了共振现象。该部位位于喷嘴入口进水管根部，且从结构上看为属于悬臂结构的喷嘴装置运行中最大机械应力点，该处材料为25Cr2MoVA，该类钢为低碳合金结构钢，多用于轴套、螺栓类结构件制作，机械性能优良，该处发现裂纹，说明该部位运行中受到了足以产生破坏的振动，综合第一点和第二点描述的两现象，分析认为运行中喷嘴装置发生了共振现象。
第三，二级减温器喷嘴装置进水管的结构尺寸较一级减温器更易发生共振
鉴于本次检查中与二级减温器结构型式相同的一级减温器未发现损坏迹象，故在原因分析之前就一级减温器与二级减温器异同之处进行对比，一、二级减温器喷嘴装置结构型式一致，且减温水均来自高加前给水，温度（本段引用均为设计值）均为160℃，二者工作温度有所不同（一减处415℃，二减处434℃），但仅相差19℃。从外形尺寸来看，一级减温器喷嘴装置较为短粗，二减较为细长，且一减喷嘴装置进水管壁厚大于二减。（一减喷嘴装置进水管尺寸φ89×12mm，二减为φ60×9mm；一减喷嘴入口外圈至喷嘴中心线距离459mm，二减为535mm）。
图5：喷嘴装置自振频率计算公式
这是喷嘴装置自身固有振动频率（自振频率）计算公式（如图5所示），从该公式中可以看出影响喷嘴自振频率大小的5个因素。从外形尺寸来看，一级减温器喷嘴装置较为短粗，二减较为细长，相对于一减，二减喷嘴装置的喷嘴总悬臂长度L数值较高，悬臂进水管环形断面二次惯性矩I数值较低，综合来看，二减喷嘴装置本身固有的频率（自振频率）比一减低，这样运行中更容易发生卡门涡流的频率（激振频率）与自振频率一致而引发共振。
第四、套管与支撑钢碗接合面之间过盈配合已经消失，无法实现喷嘴进水管运行中的弹性吸振（固定）功能，导致发生共振的可能性大大增加，支撑钢碗与套管的过盈配合消失的原因应与与制造、安装及长期运行（20年）等因素有关。
3.1.3 焊接缺陷或热处理不规范
经查阅图纸并咨询金属、焊接专业：喷嘴入口与进水管的连接焊口为异种钢焊接，即进水管为12CrlMoV，属于珠光体低合金热强钢，而喷嘴入口为25Cr2MoVA，属于中碳耐热合金钢，其综合力学性能良好，热强性较高，但可焊性较差，在通常情况下，焊接时有形成裂纹的倾向。焊前应预热，焊后应热处理，只有有限的焊接热规范可能获得较好的焊接性能，因此该异种钢焊口有可能因焊接缺陷或焊后热处理不规范造成焊口产生裂纹，喷嘴入口与进水管对接施焊时，还可能存在错用焊材、夹渣、裂纹等焊接缺陷，以上原因均可能导致异种钢焊口部位产生裂纹，长期运行后最终断裂。
经金属室对断裂焊口检验确定，焊材未用错（R317），硬度合格，经与金属、焊接专业讨论，存在如下可能性：推测焊接后未立即进行热处理，导致产生延迟裂纹，后随减温器筒体整体热处理，硬度合格，但裂纹已经产生。分析认为热处理不规范产生延迟裂纹是造成焊口断裂的重要原因。
3.2 原因分析结论
综上所述，做出如下分析和推断，即机械疲劳应力是导致喷嘴装置进水管焊口断裂的主要原因，焊接缺陷或热处理不规范为重要原因，温差交变应力为辅助因素。
#2炉二级减温器喷嘴装置属于悬臂结构，因自身外形、规格、尺寸的原因，导致其自振频率相对较低，尤其在支撑钢碗与套管的过盈配合消失后无法保证在运行中过热蒸汽汽流对喷嘴装置的激振频率与其自振频率之比小于0.75的安全裕度，运行中某一负荷点当激振频率与自振频率达到一致时，喷嘴装置发生共振。发生共振后，造成喷嘴装置根部最大机械疲劳应力点产生环形裂纹，并在最大应力点附近的且存在延迟裂纹的异种钢焊口处产生了破坏，造成焊口断裂。焊口断裂后，低温减温水（160℃）直接从喷嘴入口喷溅到高温管座（434℃）上，并顺套管、套管与管壁之间的焊缝开裂处流到筒体、文丘里套管部位，各部件在温差交变应力作用下产生热疲劳裂纹，并造成了左侧文丘里衬套断裂。
3.3 喷嘴装置进水管焊口断裂可能引发的后果
减温器喷嘴装置进水管在运行过程中，在温差应力和机械振动的共同作用下，使焊口发生断裂。焊口发生断裂后，温度较低的减温水（160℃）就会从泄漏处流到减温器管座内壁和减温器文丘里衬套管及联箱内壁（434℃）上，一旦减温水流到这些高温部位，就会使减温器进水管管座和减温器联箱内壁温度急剧降低，这样减温器管座内壁和减温器文丘里衬套管及联箱内壁在温差应力的长期作用下，便会产生裂纹（目前#2炉左右侧二级减温器管座、文丘里衬套、喷嘴孔均已发现裂纹），如不进行及时处理，这些裂纹发展到一定程度有可能导致承压部件爆破，严重威胁人身和设备安全。
4 对策措施
4.1 鉴于本次2号炉左右侧二级减温器管座内壁及文丘里衬套内壁均已发现裂纹，且左侧减温器文丘里衬套已经断裂，因此下次检修中应更换左右侧二级减温器整套减温器装置，以彻底消除该事故隐患。
4.2 受技术水平限制，焊口断裂原因为振动疲劳目前只是一种推测，无详实的数据支撑进行定量分析，因此建议公司委托有技术能力的锅炉制造厂家或科研院所对1、2号锅炉二级减温器喷嘴装置进行振动校核，校核的目的是摸清目前喷嘴装置的自振频率及满负荷（215MW）工况下卡门涡流的频率（激振频率）数值，同时比较二者之间的关系是否满足激振频率/自振频率小于0.75，如不满足，则需要对喷嘴装置进行重新设计。重新设计可采取的措施有增加进水管管径、在喷头端或在喷管上加装托架、改进隔板（钢碗）设计等。如经过校核满足条件，则应委托锅炉制造厂家或科研院所赴现场对喷嘴装置损坏情况进行检查，进一步分析隔板（钢碗）的弹性吸振功能是否消失以及其他可能导致焊口断裂损坏的原因。
4.3 2号锅炉减温器的喷嘴入口与进水管之间是异种材质焊接，减温器设备制造厂要在焊材选用、焊接、焊前预热，焊后热处理等环节严格执行焊接工艺，并建立完善的焊接质保体系，做到压力到位、责任到人。制造厂焊工施焊后在焊缝处要打上焊工钢印号，便于追溯责任及提高施焊质量。
锅炉制造厂选用25Cr2MoVA这种机械性能优良的结构钢制作喷嘴入口，其设计初衷应该是考虑到喷嘴入口位于悬臂结构根部，为悬臂梁振动的最大应力点，但选用该种材质却带来了其自身可焊性及异种钢焊接的问题，为规避以上弊端，如果依据振动校核的结果对减温器设计进行改进后，建议把减温器喷嘴入口与进水管选择同种材质（如同为12Cr1MoV），避免存在异种材质焊接问题。
今后公司机组检修中对减温器各部位焊口进行重新焊接时，则应在焊接和热处理的过程中加强过程控制和质量监督。
4.4 公司一期两台锅炉投运已达20年（14万小时），二期两台锅炉达16年（11万小时），鉴于2号炉减温器检查出的问题，建议公司建立一、二期锅炉喷水减温器（尤其是过热蒸汽二级减温器）事故备件储备，以备不时之需。
4.5 在2号炉减温器目前存在的隐患尚未完全消除前，运行期间应避免大幅度的调整减温水量，尤其应避免大开、大关或时开、时关的运行工况。大开大关减温水，极易出现调节过量，造成汽温反复波动，调节不稳；同时会使减温器喷嘴等后壁部件出现交变温差应力，以致使金属发生疲劳，出现本身焊口裂纹造成事故；时开时关工况它出现在所要求的调温幅度不大，喷水量在零值及某一喷水量间不断往复的时候，因减温水调整门完全关闭时，减温水管内的水不流动，温度逐渐降低，当再次使用减温水时，低温水首先进入减温器，这会引起循环出现的热冲击，导致减温器承受过大的热交变温差应力而损坏。
4.6 将本次2号炉减温器检查出的问题纳入公司事故隐患排查库中，挂牌督办，限期整改，使该隐患的消除得到制度和流程上的保证。
4.7 继续认真开展金属监督工作，本次#2炉减温器发现的问题就是在金属监督项目开展过程中发现的，因此今后有必要继续严格按照《DL438-2009火力发电厂金属技术监督规程》开展金属监督工作，结合机组检修对1号、3号、4号锅炉减温器进行检查。
参考文献：
[1] 《旋涡式减温器喷咀振动校核的计算方法》 东方锅炉厂
作者简介：
袁建飞（1978-），男，工程师，毕业于北京电力高等专科学校集控运行专业，目前主要从事锅炉设备管理工作。
论文作者:袁建飞
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/6
标签：喷嘴论文; 装置论文; 裂纹论文; 温水论文; 频率论文; 衬套论文; 套管论文; 《电力设备》2017年第14期论文;