摘要：330MW 机组锅炉两台空气预热器，机组于2008年12 月通过168 小时正式发电。空气预热器2014 年9 月停机检修期间，电厂发现空气预热器仓格处出现裂纹，开裂部位主要位于径向板与中心筒、径向板与隔板（靠近中心筒侧）角焊缝焊趾部位。从结构件本身因素和外力因素等方面对空预器断裂原因进行了分析。
关键词：空气预热器；断裂；分析
1 概况
发电机组于2008年12月正式投产，配套2台三分仓回转式预热器。2013年配合锅炉脱硝改造，由对空预器实施改造，蓄热元件由三段改为两段，冷端改为搪瓷元件。因冷端改搪瓷元件后换热系数降低，为满足空预器的换热量达到设计值，换热元件总高度由1900mm增加至2050mm。。空预器钢板材质为Q235A，钢板厚度δ＝8mm。
2014年停机检修期间，发现空气预热器隔板出现裂纹。转子径向板根部断裂严重，转子存在外圈坠落风险，已不能继续运行，也不易修复，修复后亦存在安全隐患。为了防止再次发生类似损坏事件，有必要对裂纹产生的原因进行分析，以便制定相应对策或防范措施。
2 现场情况
根据对二台空预器的现场实地查看情况，目前转子损坏部位主要有：
a.B侧预热器有80%的转子模块主径向板（侧径向板）和凸耳座（挂钩组件）焊接均已断开，径向隔板存在裂纹，断裂长度占总转子高度的四分之三以上甚至贯通；裂纹呈撕裂状，部分径向板上部存在径向板缺失。裂纹呈撕裂状态，裂缝间隙上部大，向下逐步延伸变小。
b.B侧预热器转子模块从内向外数的第一块和第二块横向隔板部位上方和下方，也存在局部裂纹。径向隔板和横向隔板交接部位,部分区域发现存在焊缝撕裂现象，模块的中间径向板和凸耳座间焊缝，几乎全部裂开。
c.B预热器模块之间的连接螺栓，靠近内段，存在螺栓剪断现象。
d.A侧预热器也发现两个转子模块存在类似B预热器现象，热端径向板已出现裂纹，程度较B预热器为轻。
e.B预热器的传热元件包，存在破裂现象，部分框架下部12*40mm扁钢焊缝附件元件框包覆板存在拉裂。
3 断裂损坏特征
此次空预器开裂损坏为大面积，系统性，裂纹甚至断裂,且相互独立。
A空预器损坏情况：中心筒处隔板断开9处，存在裂纹7处。横向隔板A裂纹15处，断开4处；隔板B裂纹11处；隔板C裂纹13处。横向隔板处裂纹主要为在隔板焊缝处不规则裂纹。
B空预器损坏情况：中心筒处隔板断开27处，存在裂纹12处。横向隔板A裂纹11处，断开17处；B、C横向隔板裂纹较普遍。横向隔板处裂纹主要为在隔板焊缝处不规则裂纹。
4 板材质量
开始怀疑钢板质量，本次开裂空预器钢板材质为Q235A，钢板厚度δ＝8mm。提供样板。后经检验钢板母材化学成分、室温拉伸、室温弯曲及金相组织均合格。对现场取回的径向隔板断裂处碎片进行了分析，分析表明径向隔板的化学成分，金相组织均符合相关标准要求。
5 断裂原因分析
5.1结构件受力损坏原因
结构件受力损坏原因有两个方面，一是力的因素，二是结构件本身的因素。
5.2结构件本身材质
Q235A材料是碳素结构钢，其塑性和焊接性能较好。一般情况下，应具备一定的塑性变形。即该材料受力破坏应经过弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。据试验，材料本身质量符合要求，而断口属于无变形或微变形的脆性断口。
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5.3焊缝存在缺陷
焊缝成形及外观较差。宏观缺陷有气孔、未熔合和焊接裂纹。金相分析表明焊缝存在魏氏组织，热影响区存在粗大组织和焊接裂纹。钢板母材硬度较均匀，与常用Q235A钢板显微硬度试验数值一致。焊缝显微硬度试验值不均匀，显微硬度值最高达306（HV0.1）， 高于母材硬度值+100的范围。焊缝硬度值过高，焊缝的韧性变差，导致焊缝内则易产生缺陷或已存在缺陷的扩展速率加快。诸多现象说明焊缝的工艺质量很差。
5.4外力因素分析
a.径向隔板根部受转子重力引起的应力(弯矩)，空气预热器转子模块为悬臂结构，径向隔板根部受自身重力而产生的拉力，在发生裂纹处，即径向隔板与中心筒连接处为最大值，原厂空预器元件高度分别为800、800、300，总重量为162.3t，改造后元件高度为1000、1050；总重量为150t，比原设计减轻了12.3t，因此，不存在元件重量增加引起模块强度不足的问题。
b.气压力产生的弯矩，径向隔板根部除了受转子重力引起的弯矩外，还承受空气侧差压和烟气侧差压共同作用下产生的倾覆力矩。在热态运行中，在空气侧差压和烟气侧差压的共同作用下，产生了一定的倾覆力矩，由于运行中其他因素的综合影响，导致倾覆力矩的加大，由于倾覆力矩的作用，中心筒和径向隔板之间出现了相对变形，所以在径向隔板根部会受到较大应力。由于主轴以一固定转速旋转，对某一特定部位而言，其承受的是一交变应力。长期承受较大交变应力有可能会导致径向隔板根部的疲劳损伤。空预器改造前后烟气侧及空气侧差压均无较大变化，所以气压产生的弯矩并不是此次空预器产生裂纹的主要因素。
c.传动扭力，沿径向板上下分布，空预器采用冷端中心传动方式，空预器自机组投产以来，经过两次改造，一次为配合脱硝改造，一次为柔性密封改造，两次改造前后，正常稳定运行期间电流：2011年改造前A、B空预器均为14-16.5A之间，改造后同前。2013年改造前A空预器在13.5-15A之间，B空预器在14.5-16A之间，改造后启动初期A空预器在14-17A之间，B空预器在15.5-17.5A之间，后期与改造前相比基本无变化。说明为驱动转子，隔板所承受的扭矩并没有增加。
由于电机驱动引起的扭矩很小，不是造成空预器裂纹的主要原因。
d.密封间隙设置过小,密封片摩擦力。2011年密封由间隙升降式改为接触式柔性后，冷态启动时A/B空预器电流最大分别至22/18A，在锅炉点火后空预器电流波动较大（大多在16-35A之间波动，B空预器最大达56A）。稳定运行时电流正常。但是，密封片厚度较薄，受到摩擦时自身会发生弯曲变形，不会产生瞬间冲击力；不会造成转子横向冲击，只会导致传动扭力上升，若预热器传动系统在较大输入功率下工作，会触发过电流保护，因此持续性的密封摩擦力的是允许存在的，模块设计时应已通过核算。密封片摩擦时造成传动扭矩上升，由于转子的周期性旋转，材料受到交变应力，长期的交变应力会造成材料的疲劳损伤。密封片摩擦是正常现象，在预热器检修后第一次投运因中心筒和转子膨胀不同步，预热器热端内侧会出现一些摩擦，只要摩擦力不超过电机最大输入电流时工作传动扭矩，都是允许的。
a.上部异物坠入预热器卡涩转子。2014年6B空气预热器电流陡增跳闸停转，重启不成功，就地盘车只能在约30度范围内转动，被迫停运。事故原因：脱硝出口在预热器上部的烟气导流板支撑管与烟道连接部位点焊几点，导流板为小钢板现场拼接，受烟气冲刷磨损后脱落，脱落的导流板、卡塞在预热器密封片和扇形板之间，产生挤压造成10余处径向密封片不同程度变形。异物坠入预热器卡塞转子的情况会对转子造成强烈冲击，可能会造成径向隔板因受冲击力过大而出现裂纹。
b.综上分析，焊接质量较差是造成空预器大面积裂纹的主要原因，其他因素是外部因素，是诱因。外力影响较小。
c.元件包掉落的主要原因为元件包的制造过程中下部支撑钢板与框架钢片的平面一致性及安装过程支架的平面一致性可能存在问题，造成下部支撑钢板不承重，而使框架钢片承重。
6 措施与建议
a.安排监造人员，督促和确保焊接质量。焊接时控制焊接热能量输入，防止焊缝及热影响区内晶粒粗大或形成魏氏组织，严格执行焊接工艺要求及现场焊接措施要求，避免焊缝热影响区内出现未溶、空洞及裂纹等缺陷。
b.改善元件包的结构与支撑，增加A仓元件包的横向支撑，防止元件包散落。
c.加强运行管理，防止掉落杂物，加强焊口的检查，防止在运行过程中掉落。
d.用Q235B钢板代替Q235A钢板，提高材料的冲击性能。由于水平所限，错误和不妥之处在所难免，望专家批评指正。
论文作者:靳文超
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：隔板论文; 预热器论文; 裂纹论文; 转子论文; 钢板论文; 元件论文; 横向论文; 《电力设备》2018年第31期论文;