600MW机组热一次风道补偿器开裂原因分析及处理

王 晨，岳树祥

(1.华北电力大学，北京 102206;2.神华河北国华沧东发电有限责任公司，河北 沧州 061110;3.河北省电力建设第一工程公司，石家庄 050031)

神华河北国华沧东发电有限责任公司(简称“沧东电厂”)1 号、2 号机组为600 MW 火电机组，锅炉为SG2028/17.5-M909 型亚临界、一次中间再热、单炉膛、Π 型布置、四角切圆燃烧、平衡通风、全封闭、固态排渣、强制循环汽包型燃煤锅炉，燃料为神府东胜煤。锅炉配备6 台各55%容量的送、引风机和一次风机。6 台磨煤机设计为5 台可带额定负荷运行，另外1 台备用。在额定工况下，过热器出口温度为540 ℃，再热器的进/出口温度为323 ℃/540℃。配备2 台三分仓容克式空气预热器，一、二次风间隔布置，一次风分仓为50°，转子反转，立式布置，空气预热器一次风出口温度BMCR 工况为309 ℃，运行中风压约为9 kPa。

1 故障情况

为补偿空气预热器及出口热一次风道在运行中产生的三向位移，在空气预热器一次风出口风道上装有2 只非金属补偿器。非金属补偿器寿命取决于使用的介质及工况条件，特别是在高温高压条件下，强度低、易老化缺点尤其突出。沧东电厂1 号、2 号锅炉空气预热器热一次风出口软连接多次出现破裂泄漏。空气预热器热一次风出口非金属补偿器一旦出现泄漏，由于泄漏的热风压力较大、温度较高，会很快导致周围表面蒙皮失效出现裂纹(蒙皮内部有玻璃布包裹硅酸铝保温棉，外套不锈钢丝网作为隔热层，蒙皮表面温度一般小于50 ℃)，裂纹迅速循环扩大，轻则解列一次风机，降负荷处理，重则必须停机处理，损失较大。泄漏的热风还会损坏周围电缆、空气预热器轴承等其他设备，存在消防隐患，对设备安全构成严重威胁。

2 原因分析

经检查发现，1 号、2 号机组热一次风道热态时非金属补偿器曾开裂，1 号、2 号、3 号、4 号刚性吊架吊杆存在不同程度的松弛(即支吊架失载)，如图1、图2所示。

图1 非金属补偿器开裂示意

图2 1、2 号机组热一次风道支吊架及补偿器布置

经分析认为，AD 段风道在热态时会发生轴向热膨胀，由于1a 号支吊架为固定支架，风道在D 处垂直方向的膨胀量为0，则CD 段热态时向上热膨胀;对于风道AB 段而言，由于1 号支吊架为刚性吊架，风道在A 处垂直方向的膨胀量为0，则风道AB段热态时向下热膨胀。原设计的1 号非金属补偿器主要是用来吸收风道AB 段及CD 段的热膨胀，并要求风道AB 段及CD 段的热膨胀量之和在原设计补偿器的吸收范围之内，但现场检查发现该处补偿器实际吸收的变形量小于风道AB 段及CD 段的热膨胀量之和，且热态时补偿器外表面很硬，即补偿器未能将风道AB 段及CD 段的热膨胀量全部吸收，则未被吸收的热膨胀将风道AB 段向上“顶起”，导致1号、2 号支吊架失载，1 号、2 号支吊架的载荷又传递至1 号补偿器上，最终导致1 号补偿器撕裂。同理，2 号补偿器未能完全吸收风道EF 段及GH 段的热膨胀之和时，则3 号、4 号支吊架失载，3 号、4 号支吊架的载荷又传递至2 号补偿器上，最终导致2 号补偿器撕裂。因此，热一次风道补偿器撕裂及刚性支吊架失载的根本原因是1 号、2 号补偿器性能不佳，未能完全吸收风道的热膨胀所造成的。

热一次风设计压力为12.49 kPa，设计温度为305℃，1 号补偿器规格为2 790 mm×4 238 mm，2 号补偿器的规格为2 400 mm×2 000 mm。为了分析补偿器及支吊架异常的原因，以DH 段管道为对象进行受力分析，这段管道受到的外力有以下4 个。

a.由于内压作用产生的推力方向向上，大小由F=P×A 确定［1］，其中，A 为波纹管有效面积，P 为管系压力。当机组停运时P=0，推力F=0;当机组运行时F=(2.79 m×4.238 m+2.4 m×2 m)×12.49 kPa=207.63 kN。

b.风道自身重力，方向向下，DH 段的总重量为14 446 kg。

c.支吊架载荷。

d.2 个非金属补偿器对管道的约束力。

根据平衡原理，在垂直方向上风管所受合力为0。机组停运时，非金属补偿器处于松弛状态，不提供约束力，1—4 号支吊架总载荷等于此段风道的自重。机组运行状态下，由于向上的推力比向下的风道重力大63 kN，但刚性吊架只能提供向上的力，所以管道被向上推起，这63 kN 向下的力就只能由处于拉伸状态的补偿器来提供。验证了为什么机组运行时非金属补偿器没有按设计发生压缩而是拉伸。

非金属补偿器主要由蒙皮、不锈钢丝网、隔热棉、隔热填料层、机架、挡板等6 个部分组成，典型结构见图3。非金属补偿器的蒙皮由聚四氟乙稀、氟橡胶布、玻璃纤维布等材料制成，柔性很大，这类材料长期在拉伸力的作用下产生应力腐蚀。另外，当非金属补偿器处于拉伸状态时，填在蒙皮与挡板之间的保温棉会产生缝隙，保温效果下降，风道内的热风很容易加速蒙皮内橡胶材料的老化，使蒙皮产生微裂纹，进而开裂失效［2］。

图3 非金属补偿器典型结构

3 处理措施

综上所述，为了解决1 号、2 号机组空气预热器出口热一次风道非金属补偿器的开裂问题，可将非金属补偿器改为可承受压力推力的三维矩形金属补偿器。目前国内外在温度、压力较高或有耐腐蚀要求的火电厂、水泥厂、钢厂、热网等烟风尘管道恶劣的环境下，使用金属补偿器。金属补偿器(矩形)不受其长、短边固有尺寸的影响，承压效果远远优于非金属补偿器，抗老化、耐腐蚀性能及疲劳使用寿命大于非金属补偿器。综合考虑，将1 号、2 号机组热一次风管道的非金属补偿器更换为金属补偿器。通过准确的计算和选型，选用三维矩形金属补偿器，其既能满足三向位移膨胀，又能保障在高温高压下的使用寿命和强度。

1 号、2 号机组热一次风道1 号、2 号补偿器吸收的变形量如表1所示，选择补偿器时，3 个方向的变形量均应在表1数据基础上乘以1.2 倍。

表1 1 号、2 号机组热一次风道非金属补偿器变形量

4 处理效果

在1 号、2 号机组C 级检修中完成了热一次风道金属补偿器的更换，至今运行良好，彻底消除了空气预热器热一次风出口风道一直存在的刚性吊架严重失载缺陷。新补偿器在运行中完全吸收空气预热器及风道叠加后的复合三向位移，避免了原补偿器存在的易老化、撕裂、破损等隐患。新补偿器采用316L 材质，有效的抵御室外盐雾腐蚀，大大延长使用寿命，同时避免了空气预热器的额外二次用力，保证了设备安全运行。

5 结束语

非金属补偿器虽然补偿效果好，但在高温、高压、存在腐蚀介质工况下使用效果不佳，承压效果差、易破损开裂、易老化，容易造成漏风等现象，且在安装时易划伤蒙皮留下隐患，其适用于低温或低压条件。此次将原非金属补偿器更换为金属补偿器为锅炉热一次风道补偿器改造积累了经验，给技术人员提供了参考。

［1］查尔斯·贝赫特Ⅳ.工艺管道ASME B31.3 实用指南［M］.2版.陈登丰，秦叔经译.北京:化学工业出版社，2006.

［2］ASTM F 1123－1987(2010)，Standard Specification for Non-Metallic Expansion Joints［S］.