熱電偶套管套在熱電偶元件外面, 用來(lái)抵御被測(cè)介質(zhì)的壓力和腐蝕。為測(cè)量汽輪機(jī)內(nèi)部蒸汽的溫度, 通常將熱電偶套管伸入汽缸內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量, 以取得較為準(zhǔn)確的數(shù)值。但由于汽缸內(nèi)蒸汽壓強(qiáng)大、 流速快, 熱電偶套管處于極惡劣的工況下, 因此經(jīng)常發(fā)生損壞, 這不僅會(huì)導(dǎo)致溫度信號(hào)丟失, 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)<捌啓C(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行。
本文將分析汽輪機(jī)熱電偶套管損壞的原因, 并對(duì)熱電偶套管的改進(jìn)措施進(jìn)行探討, 這對(duì)同類型汽輪機(jī)機(jī)組熱電偶套管的改造工作具有指導(dǎo)意義。
1、設(shè)備介紹
某電廠 1 臺(tái) 6 0 0MW 汽輪機(jī)機(jī)組( 廠內(nèi)編號(hào) 6號(hào)機(jī)) 為國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型高中壓合缸、 單軸四缸四排汽凝汽式機(jī)組。由安裝在高壓外缸上半部分左側(cè)、 右側(cè)的 2 支熱電偶元件來(lái)測(cè)量調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽溫度, 其熱電偶套管伸入缸內(nèi)直至調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉后面。由于高壓缸采用雙層缸結(jié)構(gòu), 調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽熱電偶保護(hù)套管設(shè)計(jì)成雙層保護(hù)套管形式, 俗稱內(nèi)外套管。其中,外套管固定在高壓內(nèi)缸上, 并伸至隔板套內(nèi)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉后。內(nèi)套管則固定在外缸上, 并伸入外套管內(nèi), 兩套管軸向保留 6 . 5mm 的膨脹間隙。
2、故障現(xiàn)象
2 0 1 5 年 4 月 2 3 日 1 9∶2 0 , 6 號(hào)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷3 5 0MW , 主蒸汽溫度5 3 7℃ 、 壓強(qiáng)1 3MP a, 再熱蒸汽溫度5 3 6℃ 、 壓強(qiáng)1. 7 9MP a , 凝汽器真空A 側(cè)壓強(qiáng)9 8k P a , B 側(cè)壓強(qiáng)9 9k P a , 機(jī)組各軸瓦( 包括推力軸瓦) 溫度、 振動(dòng)均顯示正常, 潤(rùn)滑油油溫 正 常,主 機(jī) 軸 向 位 移 +0. 2 7 mm ,正 常。
1 9∶2 3∶0 2 , 6號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)跳閘, 鍋爐 MF T, 跳閘原因顯示為汽輪機(jī)軸向位移超過(guò) E T S主機(jī)位移保護(hù)跳機(jī)值( +1. 0mm / -1. 0mm ) 。停機(jī)過(guò)程中, 汽輪機(jī)缸體、 軸封、 軸瓦沒有明顯異聲。
事后檢查 6 號(hào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)歷史曲線, 發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī) 跳 閘 前, 1 9∶2 1∶3 3 主 機(jī) 軸 向 位 移 由+0. 2 5mm 逐漸減小, 1 9∶2 2∶0 3 , 2 號(hào)軸瓦振動(dòng)瞬時(shí)突升至 X 向9 7. 4 2μ m ,Y 向6 9. 5 6 μ m 后回落。 1 9∶2 2∶5 4 , 軸向位移從-0. 2 2mm 瞬間大幅變化, #大至-1. 8 5mm 。 1 9∶2 3∶0 2 ,6號(hào)機(jī)
組汽 輪 機(jī) 跳 閘, 此 時(shí) 軸 向 位 移 又 瞬 時(shí) 變 化 至+0. 2 5mm 。 1 9∶2 3∶1 5 , 推力軸瓦非工作面瓦塊溫度#高升至1 2 3. 9℃ 。
根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的變化, 初步斷定汽輪機(jī)通流部分發(fā)生故障, 造成了轉(zhuǎn)子推力異常變化, 推力軸瓦非工作面瓦塊磨損, 因此申請(qǐng)機(jī)組調(diào)停檢查。
停機(jī)后, 對(duì)高壓缸解體檢查, 發(fā)現(xiàn)有下文所述的缺陷。
2. 1 調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽熱電偶保護(hù)套管嚴(yán)重?fù)p壞
解體后發(fā)現(xiàn)左側(cè)( 從機(jī)頭往機(jī)尾看) 內(nèi)、 外套管都已完全斷裂脫落, 內(nèi)套管掉落在內(nèi)外缸之間,外套管掉落在高壓內(nèi)缸測(cè)溫孔內(nèi)。右側(cè)內(nèi)外套管頭部也已損壞, 發(fā)生了折斷現(xiàn)象。斷裂情況如圖1
、 圖2、 圖3所示。
此外, 從高壓隔板套內(nèi)找到了多塊金屬殘骸,這些殘骸內(nèi)部空心, 確認(rèn)其為調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽熱電偶套管脫落部分。同時(shí), 在高壓第 1 級(jí)靜葉前的隔板套內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)密密麻麻的凹坑, 包括第 1 級(jí)靜
葉進(jìn)汽邊, 而高壓靜葉柵內(nèi)粘附著許多金屬碎屑。
由此可推斷, 調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽熱電偶套管發(fā)生斷裂脫落后, 在汽流推動(dòng)下與周圍物體多次發(fā)生撞擊, 并在撞擊過(guò)程中發(fā)生解體, 小尺寸的金屬碎屑隨蒸汽進(jìn)入高壓葉柵通道, 并部分附著在表面, 大尺寸的套管殘骸留在了第 1 級(jí)前的高壓隔板套內(nèi)。
2. 2 調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉出汽邊嚴(yán)重變形
檢查還發(fā)現(xiàn)所有調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片出汽邊均發(fā)生嚴(yán)重變形, 如圖 4 所示。每片葉片的出汽邊背弧面向內(nèi)凹陷變形嚴(yán)重, 葉片的葉頂、 葉根處甚至出現(xiàn)了開裂, 背弧面的出汽邊均有刮擦的痕跡。從調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽熱電偶套管的位置來(lái)看,右側(cè)套管發(fā)生彎折后很有可能撞擊調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉, 且在轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí), 連續(xù)撞擊葉片從而導(dǎo)致如此變形。
2. 3 推力軸瓦非工作面瓦塊完全磨損
解體推力軸瓦, 發(fā)現(xiàn)非工作面( 機(jī)頭側(cè)) 瓦塊表面鎢金全部磨損熔化, 瓦塊見基材, 而工作面瓦塊未發(fā)現(xiàn)異常。檢查轉(zhuǎn)子推力盤, 有清楚的整圈摩擦痕跡, 但沒有溝槽、 劃痕等缺陷。
3、原因分析
3. 1 汽輪機(jī)故障過(guò)程分析
結(jié)合機(jī)組故障時(shí)運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間順序及高壓缸解體情況分析, 得出以下結(jié)論: 此次汽輪機(jī)故障的過(guò)程是調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽熱電偶套管發(fā)生脫落后撞擊調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉, 導(dǎo)致整圈動(dòng)葉嚴(yán)重變形, 調(diào)節(jié)級(jí)汽流通道面積明顯減小, 使得軸系反向推力大幅增大, 造成推力軸瓦非工作面瓦塊過(guò)載, 鎢金磨損, 轉(zhuǎn)子軸向位移超過(guò)了機(jī)組跳閘保護(hù)值。
查閱調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽左、 右 2 支溫度測(cè)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)可知, 左側(cè)熱電偶數(shù)據(jù)在此次汽輪機(jī)故障前早已失去, 即左側(cè)內(nèi)外套管早已發(fā)生損壞, 而右側(cè)熱電偶數(shù)據(jù)正是在這次故障時(shí)失去的, 證明右側(cè)熱電偶套管是被左側(cè)套管脫落的殘骸撞擊頭部后發(fā)生彎折的, 隨后其與高速旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉發(fā)生撞擊。
3. 2 熱電偶套管脫落原因
從圖 2 可知, 左側(cè)外套管斷面內(nèi)孔呈橢圓形,斷口截面各處寬度差別明顯, 由此可確認(rèn)左側(cè)外套管運(yùn)行中內(nèi)壁受到了長(zhǎng)期的單側(cè)磨損, 局部管壁由此減薄。此外, 斷口位于套管變徑處, 斷口以
上套管部分與高壓內(nèi)缸測(cè)溫孔成 0. 0 5mm 的過(guò)盈配合, 斷口以下部分則有一定間隙, 所以形成了所謂“ 懸臂梁” 結(jié)構(gòu), 蒸汽流對(duì)伸入高壓隔板套內(nèi)的那段套管表面的沖刷力是不平穩(wěn)的, 在套管變徑斷口處產(chǎn)生極大的交變應(yīng)力, 再加上此處管壁減薄, #終發(fā)生斷裂、 脫落。隨后, 內(nèi)套管在失去外套管的保護(hù)后受到高壓汽流的沖刷, 因?yàn)閮?nèi)套管強(qiáng)度遠(yuǎn)不及外套管, 且內(nèi)套管伸入高壓內(nèi)缸以下的部分同樣也是懸臂梁結(jié)構(gòu), 所以內(nèi)套管也發(fā)生折斷、 脫落。脫落的內(nèi)外套管殘骸落在調(diào)節(jié)級(jí)后的隔板套內(nèi), 受汽流的沖刷, 和周圍的高壓轉(zhuǎn)子、 高壓隔板套、 高壓第 1 級(jí)靜葉發(fā)生了雜亂無(wú)章的撞擊, 期間撞擊右側(cè)外套管, 使其頭部發(fā)生朝調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉方向的彎折, 并與調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉發(fā)生撞擊。
左側(cè)外套管內(nèi)壁長(zhǎng)期受到碰磨的主要原因是內(nèi)、 外套管安裝不同心。我們可以排除內(nèi)外缸體的相互移動(dòng)或者套管、 缸體測(cè)溫孔尺寸不正確等影響因素, 剩余#有可能的原因是內(nèi)外缸測(cè)溫孔在基建加工時(shí)就存在不同心, 這可能與測(cè)溫孔中心定位方法和鉆孔的準(zhǔn)確度不夠有關(guān)。
4、改進(jìn)措施及探討
針對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)熱電偶套管易斷裂脫落的問題,提出了以下幾種改進(jìn)措施。
4. 1 控制缸體測(cè)溫孔加工質(zhì)量
對(duì)于新加工的機(jī)組, 嚴(yán)格控制加工質(zhì)量。工藝上將各缸體測(cè)溫孔從單好加工改為總裝時(shí)號(hào)鉆, 從而從根本上避免出現(xiàn)各缸體相同測(cè)溫孔不同心的問題, 同時(shí), 所有熱電偶套管在總裝時(shí)進(jìn)行試裝配, 不把問題遺留在現(xiàn)場(chǎng) 。
該措施不僅從工藝上對(duì)缸體測(cè)溫孔開孔進(jìn)行了規(guī)范, 而且強(qiáng)調(diào)其在制造廠總裝時(shí)進(jìn)行, 以制造廠較高的加工質(zhì)量來(lái)保證新機(jī)組缸體測(cè)溫孔加工的準(zhǔn)確性, 與電廠現(xiàn)場(chǎng)加工相比, 質(zhì)量上更有保證, 但不能完全避免熱電偶套管再次發(fā)生脫落。
4. 2 高壓隔板套上增加熱電偶保護(hù)套在高壓隔板套測(cè)溫孔上加工出螺紋, 然后將另外加工好的保護(hù)套安裝在螺紋孔上, 并焊接 。
該措施#大的優(yōu)點(diǎn)是即使調(diào)節(jié)級(jí)熱電偶套管發(fā)生斷裂, 也不會(huì)脫落撞擊到汽輪機(jī)葉片, 但隔板套測(cè)溫孔上螺紋加工困難, 同時(shí)多出的一層保護(hù)套管降低了調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。
4. 3 調(diào)節(jié)級(jí)熱電偶雙層套管改為單撓性套管將調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽熱電偶套管由原先的雙層剛性保護(hù)套管改為單撓性套管, 但套管不穿透高壓內(nèi)缸, 內(nèi)缸上的測(cè)溫盲孔的孔底距缸體內(nèi)壁保留1 0. 5mm 的厚度, 這樣保證了調(diào)節(jié)級(jí)后蒸汽不會(huì)通過(guò)內(nèi)缸測(cè)溫孔泄漏。套管上段有一波紋節(jié)和一片法蘭, 與套管整體加工而成。單撓性套管安裝時(shí)通過(guò)法蘭與另一片焊接在高壓外缸上的法蘭進(jìn)行連接固定。
shou先, 該措施簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)級(jí)熱電偶套管的結(jié)構(gòu)形式, 減少了套管安裝環(huán)節(jié), 避免了雙層套管之間因安裝不同心產(chǎn)生碰磨的問題, 使保護(hù)套管損壞率下降。其次, 高壓內(nèi)缸測(cè)溫孔為盲孔, 可完全防止套管發(fā)生脫落后撞擊到汽輪機(jī)葉片, 比在高壓隔板套上加裝保護(hù)套管更可靠。第三, 有分析指出, 共振是熱電偶套管斷裂的主要原因 , 套管上的波紋節(jié)可改變套管固有的振動(dòng)頻率, 避免發(fā)生共振, 防止保護(hù)套管損壞。第四, 雖然單撓性套管未直接接觸到調(diào)節(jié)級(jí)后蒸汽, 溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性受到影響, 但是單層保護(hù)套管能夠比雙層套管更準(zhǔn)確地測(cè)量溫度, 因此二者因素相互抵消, 單撓性套管對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的負(fù)面影響有限。
調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽熱電偶雙層保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)形式以及高壓內(nèi)外缸測(cè)溫孔加工的不同心是導(dǎo)致熱電偶套管碰磨損壞脫落, 進(jìn)而撞擊汽輪機(jī)葉片的主要原因。它始終是影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行的隱患。
事實(shí)證明, 調(diào)節(jié)級(jí)熱電偶套管的脫落會(huì)對(duì)汽輪機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p壞。本文通過(guò)比較認(rèn)為, 調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽熱電偶套管由雙層保護(hù)套管改為單個(gè)撓性套管( 內(nèi)缸測(cè)溫孔為盲孔) 具有諸多優(yōu)點(diǎn), 是#為安全可靠的方案。由此證明, 為了徹底排除隱患, 應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施, 這對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行有著十分重要的意義。