賀杰

(廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司，廣東 惠州　516082)

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燃料加熱器天然氣管道斷裂故障分析及處理

賀杰

(廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司，廣東 惠州516082)

以一次燃料加熱器天然氣管道斷裂事件為例，介紹了事件分析處理過(guò)程，通過(guò)對(duì)天然氣管道斷裂特點(diǎn)和成因的分析，提出了相應(yīng)的對(duì)策和改進(jìn)措施，供類(lèi)似天然氣管道系統(tǒng)安全運(yùn)行和故障處理時(shí)參考。

燃?xì)廨啓C(jī)；燃料加熱器；天然氣；管道斷裂；故障分析

0　引言

三菱M701F3型燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)燃機(jī))滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)燃燒初溫達(dá)到1 400 ℃，為了保證熱通道部件安全、可靠運(yùn)行，采用了多種途徑降低熱通道部件與高溫?zé)煔饨佑|的機(jī)會(huì)。

F3機(jī)型的機(jī)組均配置了燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣(TCA)冷卻器，TCA取自壓氣機(jī)出口，在送入透平轉(zhuǎn)子冷卻之前需要進(jìn)行降溫處理，并在降溫過(guò)程中釋放出大量熱，為了利用這部分熱量，在TCA冷卻器上方設(shè)置了燃料加熱器(FGH)。

燃料加熱器管道里流通的高壓天然氣透過(guò)鰭片管回收熱能，在燃?xì)膺M(jìn)入燃燒器前進(jìn)行預(yù)熱，提高燃機(jī)的效率。由于天然氣具有極高的易燃、易爆性，天然氣管道的可靠運(yùn)行對(duì)機(jī)組安全和正常生產(chǎn)具有重要意義。

1　燃料加熱器結(jié)構(gòu)

TCA冷卻器和FGH上下布置、組合使用，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示[1]，2個(gè)換熱器均為表面式換熱器，采用空氣介質(zhì)傳熱。TCA冷卻器在下，F(xiàn)GH在上，通過(guò)3臺(tái)TCA風(fēng)扇將環(huán)境中的空氣從下方往上吹。低溫空氣經(jīng)過(guò)TCA冷卻器將冷卻器內(nèi)的高溫空氣降溫，低溫空氣經(jīng)過(guò)冷卻器加熱后溫度升高，然后流經(jīng)FGH將加熱器內(nèi)部的天然氣加熱。TCA為單流程形式，天然氣在換熱器內(nèi)流動(dòng)為多流程形式。

圖1　TCA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

TCA冷卻系統(tǒng)位于燃機(jī)進(jìn)氣道正上方，南北布置，實(shí)際設(shè)置中，燃料加熱器天然氣從北面上方進(jìn)入、北面下方流出。

FGH天熱氣管道共有8排，每排66根，共有528根，為25.400 mm×1.524 mm的碳鋼鰭片管。天然氣管道共4條路徑，每2排管道為1個(gè)路徑，通過(guò)4個(gè)聯(lián)箱結(jié)構(gòu)完成2個(gè)回程的換熱。天然氣從北側(cè)頂端進(jìn)入，從北側(cè)底端流出。天然氣管道伸入聯(lián)箱內(nèi)部后，從聯(lián)箱內(nèi)側(cè)焊接，外部堵頭拆開(kāi)后可使用工具對(duì)管道進(jìn)行檢查或更換。

2　故障處理及分析

廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司點(diǎn)檢人員某日上午在機(jī)組鍋爐附近發(fā)現(xiàn)有較大異音，根據(jù)聲源位置判斷，余熱鍋爐西側(cè)TCA平臺(tái)有較大聲音，通過(guò)檢查機(jī)組狀態(tài)發(fā)現(xiàn)天然氣流量異常升高，備用罩殼風(fēng)機(jī)可燃?xì)怏w濃度上升，判斷為T(mén)CA平臺(tái)FGH有天然氣泄漏，為保證機(jī)組安全，緊急停機(jī)進(jìn)行搶修，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行了隔離，排除故障。

為檢查泄露管道，拆開(kāi)了TCA換熱器空氣區(qū)域和天然氣區(qū)域分隔擋板，之后現(xiàn)場(chǎng)對(duì)FGH換熱管進(jìn)行充氮，發(fā)現(xiàn)天然氣換熱管南側(cè)最底層，西側(cè)第1根換熱管管道斷裂(位置如圖2所示)。

管道斷裂情況如圖3所示，可以看到沿聯(lián)箱入口孔處整體斷裂，斷口全新，無(wú)陳舊傷，該處并非焊縫，存在減薄現(xiàn)象，最薄處厚度不到1 mm。

初步處理方案為:直接對(duì)端口和聯(lián)箱進(jìn)行焊接，然而由于管壁在運(yùn)行過(guò)程中變薄，導(dǎo)致焊接難度較大，焊后可能存在氣孔，改為堵管處理。堵管方法為切掉一段換熱管，鰭片管側(cè)用? 22 mm的螺栓插入焊死，聯(lián)箱孔處使用螺帽滿(mǎn)焊，為防止封堵?lián)Q熱管由于無(wú)支撐而晃動(dòng)，底部焊接1根螺栓作為固定支撐點(diǎn)(如圖4所示)。

圖2　燃料加熱器泄露管道位置

圖3　管道斷裂情況

圖4　現(xiàn)場(chǎng)堵管情況

焊接后進(jìn)行金相檢查，無(wú)損檢測(cè)(PT)合格，將管道充氮并升壓至工作壓力3.3 MPa，保壓4 h后無(wú)異常、無(wú)泄露，證明漏點(diǎn)消除，故障排除。

由于處理果斷，應(yīng)對(duì)及時(shí)，事故并未擴(kuò)大而造成安全事故，但天然氣管道斷裂導(dǎo)致天然氣泄漏，危險(xiǎn)性較大，是重大安全隱患。

通過(guò)分析切下來(lái)的換熱管(如圖5所示)可以發(fā)現(xiàn)：非斷裂側(cè)切口較厚且均勻，無(wú)減薄現(xiàn)象；而斷裂側(cè)減薄現(xiàn)象明顯，斷口沿圓周方向較為整齊，且底部位置明顯薄于其他幾個(gè)方向，可以確定是底部最先斷裂，然后迅速擴(kuò)展至整個(gè)圓周，導(dǎo)致?lián)Q熱管整體斷裂。

王祥看著老道，半天說(shuō)不出話。老道雖然說(shuō)中了他最想要的答案，但是事情太過(guò)巧合，讓警覺(jué)的王祥心里不自覺(jué)的生出了疑慮。

由于本次管道斷裂位置特殊，位于換熱管底層最外側(cè)，且非焊縫點(diǎn)，其斷裂原因可能有以下幾個(gè)。

(1)機(jī)組兩班制運(yùn)行，TCA天然氣管道長(zhǎng)期周期性地承受熱脹冷縮造成應(yīng)力疲勞[2]。

(2)斷裂管道的位置，既為天然氣管道第1道迎風(fēng)面，又最靠近外側(cè)環(huán)境，是較大循環(huán)受力點(diǎn)，也是溫差變化較大的位置。

(3)換熱管道為插入式外圈焊接固定，本次斷口處為管道伸出后與管板的第一受力點(diǎn)，如果系統(tǒng)振動(dòng)，該處可能發(fā)生碰磨或應(yīng)力擠壓而造成管道損傷。

(4)FGH均為露天放置，常年日曬雨淋，加之材料為普通碳鋼，易發(fā)生銹蝕減薄。

從斷口位置的特殊性分析，主要原因還是管件接入點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理。

圖5　切除的斷裂換熱管

3　天然氣管道斷裂成因及對(duì)策

天然氣管道在施工和運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地會(huì)存在或出現(xiàn)各種各樣的缺陷，材料組織性能劣化、外力損壞、安裝設(shè)計(jì)不合理等因素均可能對(duì)結(jié)構(gòu)使用性能構(gòu)成不良影響。特別是隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，各種損傷因素累積將導(dǎo)致破壞概率上升，對(duì)天然氣管道斷裂的控制、預(yù)防、應(yīng)對(duì)，對(duì)燃機(jī)電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重大意義。

天然氣管道斷裂失效、發(fā)生塑性變形等情況，表明材料性能和外力作用不匹配，一般分為正常工況下失效和非正常工況下失效2種情況[3]。

非正常工況導(dǎo)致的斷裂失效一般由管道內(nèi)介質(zhì)超溫、超壓運(yùn)行所致。檢查機(jī)組發(fā)現(xiàn)，并不存在超溫、超壓或壓力波動(dòng)情況，可以排除這個(gè)因素。

正常工況下，管道所承受的載荷包括內(nèi)部壓力、自重、支架反力以及因熱脹冷縮帶來(lái)的彎扭矩和軸向力等。FGH管道厚度設(shè)計(jì)值為1.54 mm，斷裂管斷口最薄處為0.90 mm，減薄嚴(yán)重，達(dá)41%左右。作為限制管道徑向位移的聯(lián)箱接入孔，在未焊死的情況下，如果裕度不足，極易因系統(tǒng)振動(dòng)、熱脹冷縮等情況造成管道與孔壁尖角處長(zhǎng)期反復(fù)碰磨，增大安全隱患。此外，減薄最嚴(yán)重的地方位于管道底部，可以判斷管道自重對(duì)減薄加劇也有一定影響。天然氣管道的斷裂是裂紋起裂和失穩(wěn)擴(kuò)展的綜合過(guò)程。管道斷裂時(shí)，管內(nèi)氣體在壓力作用下外泄，并對(duì)斷口管壁做功，加上斷裂時(shí)釋放出的彈性應(yīng)變能，共同構(gòu)成了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力。管內(nèi)能量無(wú)法及時(shí)釋放，就會(huì)在原始裂紋周邊形成新的斷裂表面，管壁塑性變形擴(kuò)散發(fā)展，其斷裂擴(kuò)展時(shí)間短而迅猛，破壞斷裂程度與管道壓力成正比關(guān)系[4]。

因而，要對(duì)天然氣管道斷裂進(jìn)行預(yù)防控制，防止故障擴(kuò)大，需要從以下幾個(gè)方面考慮。

(1)設(shè)計(jì)過(guò)程中，保證天然氣管道材質(zhì)和壁厚滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行工況；保證固定支架、連接焊縫、特殊連接點(diǎn)等抗能的應(yīng)力點(diǎn)的設(shè)計(jì)合理，防止碰磨；在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮機(jī)組運(yùn)行方式和系統(tǒng)周邊環(huán)境情況，對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

(2)管道斷裂破壞加劇是因?yàn)楣軆?nèi)存在薄弱點(diǎn)，并且在裂紋出現(xiàn)時(shí)能量無(wú)法及時(shí)釋放。對(duì)于埋設(shè)的管道可以使用回填土和管道約束等方法釋放能量，對(duì)于露天放置的FGH，可以在諸如本次斷裂位置的管道薄弱點(diǎn)、危險(xiǎn)點(diǎn)，通過(guò)安裝復(fù)合材料柔性止裂帶等結(jié)構(gòu)性止裂方法來(lái)增大管道的斷裂抗力和裂紋擴(kuò)展阻力[5]。

(3)加強(qiáng)對(duì)天然氣管道危險(xiǎn)點(diǎn)的關(guān)注和巡查，運(yùn)行人員把控相關(guān)參數(shù)變化，及時(shí)響應(yīng)報(bào)警，正確、及時(shí)判斷事件性質(zhì)。檢修人員對(duì)設(shè)備老化情況投入更多關(guān)注，加入定期檢查制度。

(4)對(duì)于服役時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，管道壽命到期的設(shè)備進(jìn)行材質(zhì)升級(jí)或整體改造，優(yōu)化換熱方案，提升運(yùn)行安全性和設(shè)備效率。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著服役時(shí)間增長(zhǎng)，天然氣管道在運(yùn)行過(guò)程中存在一定的安全隱患，為保證機(jī)組安全生產(chǎn)，需要快速、果斷地排除故障，并對(duì)管道斷裂進(jìn)行有效預(yù)防和控制。了解管道斷裂成因，做好管道斷裂事故預(yù)防和相關(guān)改進(jìn)，是電廠從業(yè)人員需要重點(diǎn)關(guān)注的工作。

[1]廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司.大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備與運(yùn)行:機(jī)務(wù)分冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]張彥華，姚安仁，熊林玉.天然氣管道斷裂控制技術(shù)[J].電焊機(jī)，2009，39(5):32-34.

[3]楊鎮(zhèn)，陳小東，王國(guó)棟.工業(yè)蒸汽管道斷裂原因分析[J].寶鋼技術(shù)，2010(5)：57-61.

[4]潘家華.油氣管道斷裂力學(xué)分析[M].北京：石油工業(yè)出版社，1989.

[5]PORTER C P,PATRICK A J.Using composite wrap crack arrestors saves money on pipeline onversion[J].Pipeline & gas journal,2002(10):65-67.

(本文責(zé)編：白銀雷)

2016-03-15；

2016-06-10

TK 478

B

1674-1951(2016)06-0038-03

賀杰(1988—)，男(布依族)，貴州興義人，工學(xué)碩士，從事燃?xì)?蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)管理及優(yōu)化方面的工作(E-mail:hj@lngphz.cn)。