朱武峰
西北电力建设第一工程有限公司
关键词：U4吊架 断裂 修复
一、工程项目简介：大唐韩城第二发电厂二期2×600MW机组冷却方式采用直接空气冷却。汽轮机为NZK600-16.67/538/538型，采用德国GEA设计的空冷凝汽器，该空冷凝汽器额定排气量为1320T/H，温度为70℃。
二、事故经过：
2008年6月6日，大唐韩城第二发电厂#3机组首次带负荷试运，1：46分负荷为290MW，由于机组打闸停机，16：01分机组破坏真空，约18：20分，听到连续两声的金属断裂声，检查后发现＃3机空冷A侧排汽管道U4恒力弹簧吊架两根刚性连杆上部吊环在机组停运16小时后突然断裂（具体位置见图示1、图示2）。
图示1
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经过检查发现整个A侧排汽管道（重量为：369T）最大处已下落约120mm，下部担托在塔架上，U4恒力吊架下部的导向支架横梁被排汽管道挤靠，致使横梁有弯曲现象，排汽管道支撑塔架未发生明显偏斜，4台恒力弹簧全部释放，管道上的各万向波形膨胀节出现可接受的变形（经膨胀节厂家确认过，不影响正常使用）。
三、原因分析：
（一）设计方面分析：
按照GEA设计资料和制造厂家提供的工厂资料，GEA设计的单根刚性连杆额定荷载为1050KN，生产厂家根据GEA提供的额定载荷进行的刚性连杆设计，其结构采用标准件形式，现场对该吊环强度及强度进行载荷计算：（吊杆具体尺寸如图3）
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图3
吊环的强度计算：
吊耳材质：42CrMo
许用应力：σａ＝800ＭＰａ（根据上海材料研究所提供资料）
剪切应力：τ0.2=700ＭＰａ（根据上海材料研究所提供资料）
额定载荷：T=1050KN
1、断裂处许用应力计算：
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σ＝Ｐ／Ａ＝Tsin450/A
A=75xb
根据余玄定理：
R2=b2+r2-2brcos1350
即: 1502=b2+502-2bx50cos1350
经计算：b=110.4
因此：σ＝Ｐ／Ａ= Tsin450 /（75x110.4）
σ=1050x0.707/(75x110.4)=0.089KN/MM2=89MPA＜σａ
τ=T/A= Tcos450 /(75x110.4)=89MPA＜τ0.2
2．拉杆最大拉应力分析:
σ最大=P/A=1050/(1/4 πD2)=1050/(1/4 x3.14x802)=0.208KN/MM2 = 208MPA＜σ
从以上计算可知无论拉杆在断裂处的平均应力还是拉杆的最大拉应力都远远小于该设备材料的许用应力，因此该拉杆强度满足使用要求。
（二）拉杆材料分析：
刚性连杆吊环材料采用42GrMo,从断口情况看，属于明显脆性断裂。其中一个连杆是从环部和杆部结合部位断裂，断口处有明显的焊接痕迹，有3-4mm的原始裂纹缺陷；另一个连杆在环部中间断裂，（环部断面尺寸为70×70mm）两个断口断面夹角接近45°，有局部补焊痕迹。
经过对#3机组空冷A侧排汽管U4刚性连杆断裂吊环及#4机B侧3个吊环硬度、光谱进行对比分析，金相检查结果：
（1）#3机组A侧断裂两个吊环硬度HB173——197符合规范要求，光谱分析含Cr、Mo；
（2）#4机B侧下部两个吊环硬度HB191——212符合规范要求，光谱分析含Cr、Mo；
（3）#4机B侧上部一个吊环一面硬度HB110，不合格，且光谱分析不含Cr、Mo；另一面硬度HB238，超标，光谱分析含Cr、Mo；
初步判断：该合金钢的毛坯存在原始的内部缺陷（缺陷采用补焊处理方式），热处理工艺没有达到设计要求，是造成该杆件强度不够发生断裂的主要原因。其中材料环部和杆部应力集中部位存在缺陷的连杆，在管道各种应力的作用下首先发生断裂，形成的冲击载荷导致另一个吊环发生脆性断裂。。
（三）制造质量分析：
该拉杆在安装过程中存在两个问题：
1、侧排汽管道由于在施工过程中管道倾斜角度控制不良，导致排汽管道与塔架相对位置，向空冷侧偏移约130mm（检查U4下部滑动支架处），经计算由此造成4个恒力弹簧受力不均匀小于5T，经支吊架生产厂家江苏恒坤机械有限公司（以下简称江苏恒坤）现场确认，不影响支吊架正常使用。
2、该侧排气管道在对口过程中比设计位置多旋转了一个角度，排气管道上两侧吊耳没有在设计位置上，导致空冷侧吊点到排气管道上吊耳距离比设计吊杆长度多130，在安装过程中为了联上U4吊架吊杆，将排气管道强力拉起，导致该侧拉杆应力增加，同比恒力弹簧在正常状态下比设计值多压缩43，导致该侧拉杆内应力比设计值增加，附加应力计算如下：
恒簧刚性：K=3500N/MM
δt=2kδx=2*3500*43=301KN
实际该侧拉感受力为：
T实际=T设计+δt=1050+301=1351 KN
根据厂家提供该拉杆的最大设计载荷为1590KN,该侧拉杆受力应该还在允许范围内，但是由于该拉杆在制造过程中存在着一定的机械缺陷，应力增大成为导致断裂的主要原因之一；在正常运行时由于管道受热向上膨胀，该处应力随负荷增大而相应减小，因此没有发生异常情况；在甩负荷的情况下，管道逐渐冷却。拉杆的应力反而随之逐渐增大，在拉杆吊环夹角450处由于平均剪切应力处于最大位置，该处机械损伤达到失稳的临界状态，导致了该处拉杆首先断裂。另一侧拉杆由于负荷遽然成培增加，也随之断裂。以上分析基本和事故发生现象一致。
四、处理方案及过程：
由于考虑到现场正处于试运的关键时刻，刚性吊杆吊环制造加工工期较长（约需10天以上），该拉杆的修复和排气管道复位工作共由两个阶段完成。第一个阶段，将 #4机组B侧整套U4恒力弹簧吊架移用至#3机A侧排汽管道上，并对靠空冷侧一套拉杆加长，消除附加应力。并对两侧各增加一套辅助拉杆，载荷按照设计载荷30%计算，加固方式为在原有吊环的下部做一套箱梁双吊杆横担（吊杆规格为M42）,每根吊杆分担载荷为18T。修复过程中采用4套门架将支架生根梁和U4支架梁弹簧联合小梁连接起来，拆除弹簧和联合小梁之间的小拉杆连接，将下部大拉杆与排气管道连接。排汽管道塔架U4支架生根梁上架设4台150T千斤顶，通过提升4台门架。将排汽管道提起复位。直到4台千斤顶负荷均达到525KN力时，再将联合小梁与恒力弹簧吊杆相连并吃劲，并安装两套辅助拉杆。以上工作全部完成后，千斤顶卸荷，释放支吊架弹簧，支吊架恢复到工作位置。同时排气管道也复位到得原来的状态。第二阶段，由韩二有限公司工程部专业人员亲自到厂家重新加工所有拉杆的吊环，并对吊杆吊环重新增加强度设计，和正规专业热处理。在3#机168小时试运完后对所有的U4支架拉杆吊环进行了全部更换。
五、支架处理后运行情况:
大唐韩城二电厂3#机U4支架经过以上两个阶段的修复后，顺利的通过了168小时满负荷试运。并且经过长时间的运行和停机观测，吊架运行状态正常。没有发现异常情况。
作者简介：
朱武峰，男，1973.07.01,陕西蓝田，大学本科，研究方向：火力发电厂汽轮发电机安装，高级工程师，西北电力建设第一工程有限公司。