11.4. Механические повреждения трубок

11.4.1. Одной из возможных причин механических повреждений трубок в конденсаторах является возникновение их вибраций. При значительной амплитуде колебаний трубок возможно образование в них усталостных трещин вблизи основных и промежуточных (спорных) трубных досок, фрикционная коррозия трубок в отверстиях опорных досок и взаимное истирание трубок вплоть до образования сквозных отверстий при недостаточных расстояниях и контакте между ними в средней части свободных пролетов. Вибрационные повреждения трубок наблюдаются в современных конденсаторах редко, но их возможность следует учитывать при анализе причин выхода трубок из строя.

В конденсаторах турбин колебания трубок с большой амплитудой могут вызываться двумя основными причинами: совпадением частоты собственных колебаний трубок с частотой вращения не полностью отбалансированного ротора турбины или другого близко расположенного вращающегося механизма (резонансная вибрация) или действием аэродинамических сил, возникающих при поперечном обтекании трубок паровым потоком (аэродинамическая вибрация).

11.4.2. Отстройка частоты собственных колебаний трубок от частоты основной возмущающей силы (частоты вращения турбины), основывающаяся на расчетах вибрации, лабораторных опытах и анализе эксплуатационного опыта, принимается обычно не менее 25% для свободных колебаний трубок первого порядка основного тона и до 12-15% для колебаний следующие порядков. Исходя из этого выбираются число и длина свободных пролетов трубок между основными и опорными трубными досками [15].

В случае поломок трубок при выяснении их причин следует, однако, иметь в виду, что при правильном расположении опорных трубных досок по высоте, обеспечивающем требуемый прогиб трубок и хороший контакт их со стенками отверстий в опорных досках, частота собственных колебаний трубок не является одинаковой для всего трубного пучка и для любого режима работе конденсатора. Это связано в основном с влиянием на частоту собственных колебаний трубок действующих на них продольных сил, возникающих вследствие различий коэффициентов температурного удлинения материалов трубок и корпуса конденсатора и деформаций трубных досок. Возможно так же, как уже отмечалось, что вибрация вызывается не турбиной, а другим механизмом с частотой вращения, отличающейся от частоты вращения турбины. Если поломки трубок наблюдаются в первых двух-трех рядах трубного пучка на стороне входа в него пара, более вероятно, что они вызываются автоколебаниями трубок под действием парового потока.

11.4.3. Появление и поддержание автоколебаний трубок в периферийных рядах трубного пучка является результатом действия аэродинамических сил, возникающих вследствие периодических отрывов паровых вихрей попеременно с одной и другой стороны кормовой части поперечно обтекаемых трубок; турбулентных пульсаций парового потока; смещений трубок в процессе их колебаний из их равновесного положения, приводящих к изменению поля течения и баланса сил, действующих на трубки (аэроупругой нестабильности).

В условиях конденсаторов паровых турбин автоколебания с большими амплитудами вызываются в основном аэроупругой нестабильностью, проявляющейся при превышении паровым потоком некоторой критической скорости U_кр в узком сечении между трубками. При U  U_кр амплитуды вибраций невелики, а при U  U_кр, когда изменение баланса сил, действующих на трубку, приводит к тому, что энергия, воспринимаемая трубками от потока, становится большей, чем затрачиваемая на преодоление сил демпфирования трубок, амплитуды колебаний быстро возрастают и могут достигнуть опасных значений. Поскольку распределение скоростей поступающего пара по периметру трубного пучка неоднородно, превышение критической скорости U_кр и возникновение аэроупругих вибраций могут носить локальный характер. Скорость пара может превзойти U_кр также при отключении одной из половин конденсатора. При превышении границы аэроупругой нестабильности преобладающая часть энергии колебаний приходится на низкие частоты.

В настоящее время отсутствует общепринятая методика расчета аэроупругих вибраций для трубных пучков. Применительно к условиям конденсаторов турбин можно пользоваться для ориентировочной оценки возможности возникновения их автоколебаний эмпирической формулой, предложенной американской фирмой "Вестингауз" на основе анализа эксплуатационного опыта:

l_макс = 1,06[EI/(_п d_н)]^1/4, (11.1)

где l_макс - максимальная длина пролета, при которой трубки устойчивы к автоколебаниям, м;

Е - модуль упругости материала трубок; Па;

I - экваториальный момент инерции кольцевого поперечного сечения трубки, м⁴;

_п - плотность пара, кг/м³;

w_п - средняя скорость пара на выходе из выхлопного патрубка турбины, м/с;

d_н - наружный диаметр трубок.

Для крайних пролетов, где трубки с одной стороны закреплены, постоянный множитель в формуле (11.1) может быть увеличен до 1,3. При определении l_макс принимаются наиболее неблагоприятные режимные условия, при которых значение _п является наибольшим, т.е. отвечающим более холодному времени года.

11.4.4. При вибрационных разрушениях трубок, вызванных завышенными свободными пролетами, не обеспечивающими в каких-либо зонах трубного пучка достаточной отстройки частоты собственных колебаний трубок от частоты возмущающей силы при всех режимных условиях, для предупреждения дальнейших повреждений свободные пролеты трубок в соответствующие зонах должны быть уменьшены. Для этого в средней части всех или только больших пролетов, если длины пролетов по длине конденсатора неодинаковы, в зазорах между трубками могут быть установлены деревянные (из дуба, бука) или пластмассовые вставки (рис. 11.1 и 11.2). Если же при установке пластмассовых вставок возникают трудности, при замене трубок в конденсаторе между ними в средней части пролетов могут укладываться поперечные шланги из синтетического каучука, из которых предварительно откачивается воздух для того, чтобы они приобрели плоскую форму. После установки трубок шланги сообщаются с атмосферой и расширяются, обеспечивая требуемое повышение жесткости пучка между опорными трубными досками.

11.4.5. Помимо вибраций причинами механических повреждений трубок могут быть возникшие при их изготовлении, транспортировке или хранении дефекты (трещины, надрывы и др.), не выявленные до установки трубок на место, перевальцевание, приведшее к подрезке или чрезмерному утонению стенки в месте перехода развальцованного ее конца к основной части трубки, а также внешние причины, например попадание в конденсатор из турбины отломившихся кусков бандажа и лопаток, стеллитовых пластинок и др.

Рис. 11.1. Расположение клиньев в трубном пучке конденсатора:

1 - основные трубные доски; 2 - промежуточные опорные перегородка; 3 - деревянные клинья

Рис. 11.2. Расположение пластмассовых вставок в трубном пучке:

1 - трубки; 2 - пластмассовые вставки