摘 要： 本文主要探讨除氧头与水箱之间带加强垫圈的连接结构型式是否安全合理。
关键词： 除氧器 ； 结构型式
一、前言
我市三水恒益火力发电厂有限公司有2台由四川锅炉厂制造，配套2台220 t/h锅炉供水系统的YYL-2000／222型压力式除氧器。其整体结构如图1所示，材质是20g，最高工作压力为0.49MPa，分别在1995年和1996年安装并投入使用。经运行一段时间，分别先后发现与除氧头马鞍筒节连接的加强垫圈警告孔有蒸汽冒出。修理后继续运行一段时间，又再次发生上述问题。2001年1月停机全面检查时发现加强垫圈与水箱筒体连接的角焊缝和加强垫圈与除氧头马鞍筒节连接的角焊缝焊接质量较差，焊缝表面多处可见气孔和夹渣，因此2台除氧器加强垫圈与水箱筒体连接的角焊缝（仅对内侧焊缝）和加强垫圈与除氧头马鞍筒节连接的角焊缝进行了刨去原有焊缝重新施焊的修理。2004年3月，2＃除氧器加强垫圈的警告孔又再次冒出蒸汽。由于用户深夜紧急停机抢修，故笔者未能到现场了解和分析事故的原因，但对该除氧器除氧头与水箱连接的结构型式是否安全合理引起了笔者高度的关注，在此提出来共同探讨。
二、探讨除氧头与水箱之间带加强垫圈的连接结构型式合理与否
除氧头与水箱连接结构型式如图2所示。从图2可以看到，该加强垫圈并非是我们所理解成的压力容器开孔起补强作用的补强圈，它的受力状况与补强圈完全不同。当除氧器运行时，加强垫圈与水箱筒体连接的角焊缝是承受除氧头承压后的轴向拉力以及加强垫圈产生的附加弯曲应力。究竟加强垫圈与水箱筒体连接接头的应力计算与应力评定结果如何，制造厂无法提供相关计算资料，因为这种结构型式的除氧器，厂家仅制造过上述2台。无独有偶，2004年底我市一家造纸厂购进了2台由连云港市新海机械厂制造的CYG50型除氧器。这2台除氧器除氧头与水箱的连接结构型式以及运行参数与上述的相同。同样，制造厂也未能提供除氧头与除氧水箱连接接头的应力计算与应力评定相关资料，后来才委托南京工业大学机械学院过程装备研究所进行了除氧器除氧头与水箱连接接头局部应力有限元分析与评定。经有限元应力计算分析，评定为合格（报告中注明，评定过程中不考虑疲劳分析）。
评定结果虽然合格，但该种结构型式是否合理（问题的焦点是除氧头与水箱之间通过加强垫圈连接是否合理）。笔者有以下不同的看法：
1、上述除氧器的设计和制造规范均执行GB150《钢制压力容器》标准，但GB150标准附录J焊接结构中并没有该种焊接结构型式，设计显然不符合GB150标准的规定。
2、加强垫圈与水箱筒体连接焊缝（从受力状况分析）是压力容器的主焊缝，压力容器主焊缝采用填角焊缝实属少见。而且笔者所见到的4台除氧器加强垫圈与水箱筒体的连接焊缝均按照压力容器补强圈的焊接方式施焊，即焊缝的焊脚高度为加强垫圈厚度的70％，焊缝截面的有效面积大打折扣；焊缝无提出探伤要求（事实上不论采用何种无损探伤方法都难以检测填角焊缝的内部缺陷），焊缝内部质量无法得到保证。因此设备在使用期间，能否保证安全运行值得商榷。
3、加强垫圈与水箱筒体的连接结构，我们可以近似看成水箱筒体母材上存在着大面积分层，除氧头马鞍筒节则焊接在这片环形“分层”的中央，作用力的方向与材料的“分层”垂直。在马鞍筒节拉力的作用下，由于构件内部的不连续，分层的边缘（即加强垫圈填角焊缝的根部）局部应力集中。对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度几乎无影响。因为当最大应力σmax达到屈服应力σs后，如果继续增大载荷，则所增大的载荷将由同一截面的未屈服部分承担，以致屈服区域不断扩大，应力分布逐渐趋于均匀化。然而，应力集中对构件的疲劳强度却影响极大。试验表明，应力集中促使疲劳裂纹形成。除氧器在运行中，不可能单纯承受静载荷，由于蒸汽压力的波动和蒸汽压力变化或进水量变化引起的温差应力，都会形成循环交变应力。长期在循环交变应力作用下，应力集中的焊缝根部有可能产生疲劳裂纹。焊缝根部一旦产生裂纹，不但宏观检查无法发现，即使在设备进行全面检验时，也无法采用无损探伤的方法检查发现。只有当裂纹逐渐扩展且穿透焊缝（这里指的是加强垫圈内侧的填角焊缝），加强垫圈的警告孔冒出蒸汽时才被发现。由于裂纹不能通过常规的检测手段及时发现，万一焊缝根部大范围同时产生裂纹，后果是不堪设想的。因此对该连接结构的疲劳应力分析是不容忽视的。
4、除氧器装设上加强垫圈，从运行受力的状况分析，对水箱的筒体毫无加强作用，既增加了板材和焊材的耗用量，也增加了制造工艺的难度和组装工作量，从而增加了产品的制造成本。
三、结束语
通过上述的讨论，笔者认为该种结构型式并非是一种安全合理的结构型式，除氧头与水箱之间通过加强垫圈连接弊多利少。该类除氧器设计时，只要合理布置水箱内侧的加强圈，没有必要装设该加强垫圈，水箱筒体的强度及刚性是足够的。以我市另一家火力发电厂1台由杭州锅炉辅机厂制造，同样配套220 t/h锅炉供水系统的C220/C70型高压除氧器为例，该除氧器的外形尺寸、材质和运行参数与上述YYL-2000／222型相同，但除氧头马鞍筒节与水箱筒体之间没有装设加强垫圈，采用T型焊接接头连接，而且该水箱壁厚只有20mm，除氧头马鞍筒节壁厚18mm。至今已运行了10年，从未发生过泄漏事故。经过2个周期的全面检查，均未发现容器本体有变形失稳现象。C220/C70型高压除氧器的设计方案值得借鉴。
