海南核电有限公司 572733
摘要：本文通过对某电厂发生的一起电锅炉绝缘件开裂事件进行了原因分析，并给出了纠正方案，论文中涉及到的分析方法对其他电厂有借鉴意义。
关键词：电锅炉；开裂；绝缘件
一、背景
2016年1月29日，辅助电锅炉厂家与维修处进行1号电锅炉移交后的首次内检过程中，发现a、b、c三相共6根型号为54045的绝缘件中有3根开裂（a2、b1、c1）。此外，锅炉内筒特氟龙加强管损坏严重，其中a1特氟龙加强管断裂脱落，其内部有融化现象，其他特氟龙加强管及加强板皆有开裂现象。
2016年4月6日，2号辅助电锅炉在内检过程中也发现3根54045绝缘件开裂，特氟龙加强管及加强板存在碳化和开裂现象。
二、事件分析和评价
某电厂VA厂房的两台辅助电锅炉0XCA001CH和0XCA002CH采用的是瑞典Z&I公司的浸没式电极锅炉，额定功率为26MW，额定电压为6kV。电极锅炉的工作原理是利用水的导电性和阻电性运载电流并产生蒸汽。由于水具有电阻，电流可直接在水中产生热量。电流越大，产生的热量就越多，从而生成的蒸汽量也就越多。
辅助电锅炉供电电源为三相电源，每相电源分别由两根导电棒穿过绝缘件，进入锅炉内部并连接电极盘。为防止汽水分离器与导电棒之间的放电，在绝缘件底部使用特氟龙加强管作为电隔离，并通过特氟龙加强板进行固定，如图1所示。
图1 电锅炉内部结构示意图
1、绝缘件开裂的原因分析
通过与厂家的多次技术交流及分析，绝缘件开裂的原因主要是热应力和机械应力两方面：
1.1 热应力方面
（1）导电棒内阻大，发热量大
经过调研，目前国内山东海阳核电的辅助电锅炉的型号规格与我厂相同，但是海阳核电的电锅炉在使用过程中没有出现过绝缘件开裂及特氟龙加强管损坏等问题。经过对比，发现山东海阳电锅炉的电压等级为10kV，而我厂电锅炉的电压等级为6kV。因此，在相同功率下，我厂电锅炉导电棒通过的电流更大，发热量也更大。
在1号电锅炉的内检过程，发现导电棒与电极盘连接部存在热点，这也说明了导电棒的发热量非常大，温度非常高。由于绝缘件包裹着导电棒，导电棒温度高会使绝缘件承受较大的热应力，可能会造成绝缘件裂纹产生。2016年10月17日的厂家技术交流会上，电锅炉制造厂承认导电棒的内阻大、发热量大是造成绝缘件开裂的原因之一，并承诺免费更换新型导电棒和绝缘件。
此外，据电锅炉厂家的反馈，某电厂目前使用的导电棒在每相配置一根且额定电压为10kV时的额定带载能力为26MW。经过换算，在额定电压6kV下，我厂电锅炉套管（每相配置两根）的额定带载能力为31.2MW，安全系数为31.2/26=1.2（10kV额定电压下的安全系数为52/26=2）。当同一相电源的两根导电棒的负载分配不平衡时，可能会导致其中一根导电棒超过其设计的额定带载能力，从而导致相应配套的绝缘件开裂。
可见，导电棒的内阻大，导致发热量大、温度高，造成绝缘件的热应力大，加上导电棒在6kV电压下的设计裕量偏小，是绝缘件开裂的主要原因。
（2）特氟龙护套影响导电棒散热
特氟龙材料的熔点为327℃，特氟龙加强管和加强板出现了碳化现象，这说明了电锅炉在使用过程中导电棒的温度超过了特氟龙的熔点温度。
正常使用情况下，锅炉产生的蒸汽温度为190℃左右，特氟龙加强管包裹导电棒的形式不会使导电棒的温度超过327℃。但是在我厂的电锅炉中，由于起紧固作用的特氟龙加强板紧贴导电棒，影响导电棒的散热，锅炉内蒸汽不能及时冷却导电棒被覆盖的部分，致使导电棒在运行中发热量积聚，温度升高，从而使绝缘件热应力增大而产生裂纹。
1.2 机械应力方面
如图4所示是绝缘件的结构示意图，绝缘件的材质为陶瓷，两根陶瓷绝缘件共同承担着电极盘的重量。理想情况下，在顶部压紧螺母的作用下绝缘件所受的力仅为压力。但是，当密封填料的压盖螺母所受力矩不平衡时，会导致绝缘件没有完全在垂直位置，通过力的分解可知此时绝缘件所受的力有压力和剪切力。而陶瓷绝缘材料虽然抗压性能好，但抗剪切作用力性能较差，所以绝缘件安装力矩不均可能会导致裂纹的产生。
图2 绝缘件结构示意图
通过查阅相关技术文件，发现厂家提供的《设备运行维护手册》并未附绝缘件安装的详细技术要求，也未明确各零部件紧固螺栓的扭矩限值要求。另外，在EESR及TOTO文件包中也未有绝缘件的安装过程记录及螺栓的安装力矩值记录
可见，安装力矩不平衡会使绝缘件受到机械应力，导致应力集中进而出现裂纹，其是绝缘件开裂的可能原因之一。
2、特氟龙护套碳化开裂的原因分析
由于导电棒内阻大，发热量大，加上特氟龙加强板的安装方式影响了导电棒的散热，导致电锅炉正常功率运行时的导电棒温度很高，超过了特氟龙材料的熔点温度，所以特氟龙绝缘护套过热而碳化。另外，设计时未充分考虑特氟龙材料的热膨胀，安装过程中未预留出特氟龙加强管上下活动空间，导致特氟龙加强管受热膨胀开裂。
根据以上分析，可以推断，正是由于导电棒的内阻较大，当电锅炉功率运行时导电棒产生了大量的热量，底部的特氟龙绝缘护套也影响了其散热，使导电棒的温度升高。而绝缘件的内侧是温度很高的导电棒，外侧部分是环境温度，较大的温度梯度使绝缘件产生了热应力，加上绝缘件安装力矩不平衡时受到的机械应力。最终，在热应力和机械应力的共同作用下绝缘件发生了开裂，同时导电棒的高温也使特氟龙加强板和加强管发生了碳化与开裂。
三、原因分析
1、直接原因
热应力和机械应力的共同作用，导致了绝缘件开裂。
2、根本原因
导电棒在6kV电压下的设计裕量偏小，且其内阻较大，导致在电锅炉功率运行时导电棒发热量大。
3、促成原因
（1）特氟龙加强管和加强板紧贴导电棒，影响了导电棒的散热。
（2）设备运行维护手册未明确螺栓的力矩要求，厂家安装指导不到位，安装力矩不平衡。
（3）电锅炉的运行维护项目存在不足，没有锅炉内部、外部定期检查的预防性维修项目。
四、纠正方案
1、导电棒在6kV电压下的设计裕量偏小，且其内阻较大，导致在电锅炉功率运行时导电棒发热量大。提出物项替代申请，将现有导电棒更换为铜质合金材料导电棒，将现有套管更换为新型加长型瓷套管，取消特氟龙绝缘保护套
2、特氟龙加强管和加强板紧贴导电棒，影响了导电棒的散热。更换安装经过厂家改进后的特氟龙绝缘保护套。
3、设备运行维护手册未明确螺栓的力矩要求，厂家安装指导不到位，安装力矩不平衡，联系厂家补充完善电锅炉的运行维护手册，明确力矩安装要求。
4、电锅炉的运行维护项目存在不足，没有锅炉内、外部定期检查的预防性维修项目。日常巡检中增加通过电锅炉顶部可视窗检查绝缘件是否出现裂纹项目；增加锅炉内检和锅炉外检的预防性维修项目；编制锅炉内检和锅炉外检的预防性维修规程。
论文作者:刘芳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/17
标签：电锅炉论文; 特氟龙论文; 力矩论文; 护套论文; 锅炉论文; 内阻论文; 温度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第23期论文;