超超臨界鍋爐化學(xué)管座失效及改進

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摘要：為解決某超超臨界鍋爐化學(xué)取樣管管座失效導(dǎo)致蒸汽泄漏的問題，采用數(shù)值模擬的方法對管座受力進行分析，結(jié)合硬度及材質(zhì)檢測、斷面分析研究管座失效原因，并對管座結(jié)構(gòu)進行改進。結(jié)果表明：管座失效原因是焊縫根部未焊透及存在應(yīng)力疊加，改進后管座失效問題得到解決。

關(guān)鍵詞：超超臨界鍋爐；化學(xué)取樣管；管座；失效分析

近年來，火電機組高溫高壓管的化學(xué)取樣管管座頻繁發(fā)生失效現(xiàn)象［1－3］，造成高溫高壓蒸汽泄漏，使機組存在極大的安全風(fēng)險?；痣姍C組管座失效的部位主要分布在鍋爐聯(lián)箱及高溫管道上，失效的原因主要有用錯材料、采用不合理的管座結(jié)構(gòu)、膨脹管設(shè)計或安裝欠妥、內(nèi)壁積水形成熱疲勞裂紋、管座的應(yīng)力腐蝕開裂、焊接工藝不當(dāng)引起的開裂等，采用的措施主要有采用加強型管座、采用柔性結(jié)構(gòu)、改善小管的補償能力、加裝保護套管、加強對管座的定期檢驗［4］。承壓部件出現(xiàn)裂紋泄漏的現(xiàn)象在火電機組上比較普遍，并且一旦發(fā)生，危險系數(shù)高。某電廠660MW超超臨界機組化學(xué)取樣管與管座焊接部位多次發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響機組安全生產(chǎn)。筆者針對該機組管座失效問題開展分析研究，并提出改進措施。

1問題簡介

某化學(xué)取樣管設(shè)置于鍋爐主蒸汽出口處，用于在線監(jiān)測主蒸汽品質(zhì)。2011年機組投產(chǎn)至今，化學(xué)取樣管與管座的焊接部位多次發(fā)生斷裂，造成蒸汽泄漏。經(jīng)統(tǒng)計，同類型管座均在運行7萬h左右時出現(xiàn)了管座焊縫四周存在環(huán)向裂紋的問題（見圖1）。管座的安裝示意圖見圖2、結(jié)構(gòu)圖見圖3?；瘜W(xué)取樣管由上下兩段焊接，上段與出口管焊接，下段插入主蒸汽管道（外徑為609．2mm、壁厚為100mm）內(nèi)，主蒸汽的額定壓力為25．4MPa、額定溫度為571℃（文中數(shù)值均為額定工況下的數(shù)值）。主蒸汽管道在X、Y、Z方向上的膨脹量分別為23mm、152mm、31．2mm（鍋爐說明書中的設(shè)計值）。管座隨主蒸汽管道一起膨脹；化學(xué)取樣管上段焊接出口管的第一個支架采用抱箍固定。

2失效分析

2．1宏觀結(jié)構(gòu)分析

管座結(jié)構(gòu)［5］存在的問題有：（1）3條焊縫重合，易造成應(yīng)力疊加；（2）管座化學(xué)取樣管焊縫的焊接方式不合理，采用了類似插入焊的方式，容易使焊縫根部出現(xiàn)未焊透的缺陷，且易存在應(yīng)力集中區(qū)域。

2．2受力分析

針對管座結(jié)構(gòu)存在的應(yīng)力疊加且集中的問題，開展受力分析。以化學(xué)取樣管為研究對象，在工作狀態(tài)下，化學(xué)取樣管受到主蒸汽管道內(nèi)部蒸汽壓力產(chǎn)生的應(yīng)力、汽流沖刷所產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力及管道膨脹所產(chǎn)生的約束應(yīng)力［6］。內(nèi)部蒸汽壓力產(chǎn)生的應(yīng)力計算方法參考GB50764—2012《電廠動力管道設(shè)計規(guī)范》，受蒸汽壓力、壁厚等因素影響，為35MPa。沖擊力與蒸汽流速、密度及受力面積相關(guān)，其計算公式為：式中：F為化學(xué)取樣管受汽流沖刷所產(chǎn)生的沖擊力，kN；p為蒸汽壓力，kN／m2；S為受力面積，m2；ρ為蒸汽密度，kg／m3；v為蒸汽流速，m／s。計算可得化學(xué)取樣管受汽流沖刷所產(chǎn)生的沖擊力為363kN，以此為邊界條件，利用SOLID－WORKS軟件建模分析，得到化學(xué)取樣管與管座的沖擊應(yīng)力分布見圖4（屈服應(yīng)力為1．72×108N／m2）。由圖4可得：化學(xué)取樣管與管座焊接根部的沖擊應(yīng)力最大，高達387MPa（1MPa＝106N／m2）。蒸汽管道內(nèi)的蒸汽流速隨負荷不斷變化，導(dǎo)致根部應(yīng)力不斷變化，使化學(xué)取樣管管座焊縫處易發(fā)生疲勞失效。管道膨脹所產(chǎn)生的約束應(yīng)力與管道固定點的移動方向、位移、管道規(guī)格及材質(zhì)相關(guān)。利用SOLIDWORKS軟件建模分析，獲得化學(xué)取樣管受管道膨脹所產(chǎn)生的約束應(yīng)力分布見圖5（屈服應(yīng)力為6．204×108N／m2），并計算出化學(xué)取樣管受管道膨脹所產(chǎn)生的約束應(yīng)力約為40MPa。

2．3硬度及材質(zhì)檢測

采用HT－1000A硬度計、DE2000光譜儀對化學(xué)取樣管、管座及焊縫進行硬度和材質(zhì)檢測，檢測結(jié)果見表1。由表1可知：主蒸汽管和管座材質(zhì)及焊絲的選擇符合設(shè)計要求，但在管座化學(xué)取樣管焊縫及化學(xué)取樣管上段下段焊縫處采用Ni基焊絲，會使硬度明顯下降，造成焊縫接口處機械強度降低。

2．4斷面分析

剖開管座進行斷面檢查，裂紋剖面見圖6。由圖6可見：在管座化學(xué)取樣管焊縫處，根部存在未焊透、熱影響區(qū)存在未融合的現(xiàn)象。從裂紋形貌分析，裂紋從根部開始，從內(nèi)往外逐漸向未融合的薄弱區(qū)域發(fā)展。

2．5失效原因

分析管座失效原因為：（1）焊接區(qū)同時存在3種焊接材料，導(dǎo)致焊縫根部未焊透，焊接熱影響區(qū)域存在未融合等原始缺陷。（2）設(shè)計不合理導(dǎo)致3條焊縫重合，焊接過程中存在應(yīng)力疊加。（3）焊縫根部運行中受汽流沖刷所產(chǎn)生的交變沖擊應(yīng)力作用，原始缺陷沿著未融合的區(qū)域從內(nèi)往外擴展，直至管座裂開泄漏。

3改進方案

根據(jù)管座失效原因分析，提出了管座改進結(jié)構(gòu)（見圖7）以替代原結(jié)構(gòu)，其主要特點有：（1）焊縫采用非重合設(shè)計，防止應(yīng)力疊加。（2）改進后的結(jié)構(gòu)需要確保根部可焊透且焊縫平滑，防止焊縫應(yīng)力集中。（3）改進后的管座采用化學(xué)取樣管的同種材質(zhì)，并用同種焊絲進行焊接。（4）經(jīng)核算，管座改進結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

4結(jié)語

（1）管座失效的主要原因是3條焊縫重合造成應(yīng)力疊加，以及3種焊接材料導(dǎo)致管座根部存在未焊透、未融合等原始缺陷。（2）提出管座的改進結(jié)構(gòu)以替代原管座，改進后的管座與化學(xué)取樣管采用同種材質(zhì)，并用同種進行焊絲焊接，有效解決了管座失效的問題。

參考文獻：

［1］姜磊，羅維祺，黃浩，等．超臨界鍋爐四大管道管座角焊縫裂紋分析及預(yù)防［J］．特種設(shè)備安全技，2017（4）：7－9．

［2］王智春，李煒麗，蔡文河，等．超臨界鍋爐過熱器聯(lián)箱管座斷裂原因分析［J］．華北電力技術(shù)，2010，40（10）：42－44．

［3］陳二松．電站鍋爐集箱管座接頭焊縫裂紋分析［J］．熱加工工藝，2013，42（13）：209－210，213．

［4］王斌．高溫蒸汽管道、聯(lián)箱中小口徑管座的開裂及防范措施［J］．熱力發(fā)電，2003，32（4）：39－41，48．

［5］馬志寶．火電廠高溫高壓管座結(jié)構(gòu)形式分析［J］．內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2017，35（4）：73－76，80．

［6］張立新．火電機組承壓部件失效典型應(yīng)力集中因素分析［J］．山東電力技術(shù)，2018，45（10）：62－66．

作者：廖偉輝 員盼鋒 單位：廣東紅海灣發(fā)電有限公司