超超臨界鍋爐化學管座失效及改進

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

關鍵詞：超超臨界鍋爐；化學取樣管；管座；失效分析

近年來，火電機組高溫高壓管的化學取樣管管座頻繁發(fā)生失效現象［1－3］，造成高溫高壓蒸汽泄漏，使機組存在極大的安全風險。火電機組管座失效的部位主要分布在鍋爐聯箱及高溫管道上，失效的原因主要有用錯材料、采用不合理的管座結構、膨脹管設計或安裝欠妥、內壁積水形成熱疲勞裂紋、管座的應力腐蝕開裂、焊接工藝不當引起的開裂等，采用的措施主要有采用加強型管座、采用柔性結構、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］。承壓部件出現裂紋泄漏的現象在火電機組上比較普遍，并且一旦發(fā)生，危險系數高。某電廠660MW超超臨界機組化學取樣管與管座焊接部位多次發(fā)生斷裂，嚴重影響機組安全生產。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

某化學取樣管設置于鍋爐主蒸汽出口處，用于在線監(jiān)測主蒸汽品質。2011年機組投產至今，化學取樣管與管座的焊接部位多次發(fā)生斷裂，造成蒸汽泄漏。經統(tǒng)計，同類型管座均在運行7萬h左右時出現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、結構圖見圖3。化學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，主蒸汽的額定壓力為25．4MPa、額定溫度為571℃（文中數值均為額定工況下的數值）。主蒸汽管道在X、Y、Z方向上的膨脹量分別為23mm、152mm、31．2mm（鍋爐說明書中的設計值）。管座隨主蒸汽管道一起膨脹；化學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宏觀結構分析

管座結構［5］存在的問題有：（1）3條焊縫重合，易造成應力疊加；（2）管座化學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未焊透的缺陷，且易存在應力集中區(qū)域。

2．2受力分析

針對管座結構存在的應力疊加且集中的問題，開展受力分析。以化學取樣管為研究對象，在工作狀態(tài)下，化學取樣管受到主蒸汽管道內部蒸汽壓力產生的應力、汽流沖刷所產生的沖擊應力及管道膨脹所產生的約束應力［6］。內部蒸汽壓力產生的應力計算方法參考GB50764—2012《電廠動力管道設計規(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，其計算公式為：式中：F為化學取樣管受汽流沖刷所產生的沖擊力，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。計算可得化學取樣管受汽流沖刷所產生的沖擊力為363kN，以此為邊界條件，利用SOLID－WORKS軟件建模分析，得到化學取樣管與管座的沖擊應力分布見圖4（屈服應力為1．72×108N／m2）。由圖4可得：化學取樣管與管座焊接根部的沖擊應力最大，高達387MPa（1MPa＝106N／m2）。蒸汽管道內的蒸汽流速隨負荷不斷變化，導致根部應力不斷變化，使化學取樣管管座焊縫處易發(fā)生疲勞失效。管道膨脹所產生的約束應力與管道固定點的移動方向、位移、管道規(guī)格及材質相關。利用SOLIDWORKS軟件建模分析，獲得化學取樣管受管道膨脹所產生的約束應力分布見圖5（屈服應力為6．204×108N／m2），并計算出化學取樣管受管道膨脹所產生的約束應力約為40MPa。

2．3硬度及材質檢測

采用HT－1000A硬度計、DE2000光譜儀對化學取樣管、管座及焊縫進行硬度和材質檢測，檢測結果見表1。由表1可知：主蒸汽管和管座材質及焊絲的選擇符合設計要求，但在管座化學取樣管焊縫及化學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)存在未融合的現象。從裂紋形貌分析，裂紋從根部開始，從內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）設計不合理導致3條焊縫重合，焊接過程中存在應力疊加。（3）焊縫根部運行中受汽流沖刷所產生的交變沖擊應力作用，原始缺陷沿著未融合的區(qū)域從內往外擴展，直至管座裂開泄漏。

3改進方案

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

4結語

（1）管座失效的主要原因是3條焊縫重合造成應力疊加，以及3種焊接材料導致管座根部存在未焊透、未融合等原始缺陷。（2）提出管座的改進結構以替代原管座，改進后的管座與化學取樣管采用同種材質，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防［J］．特種設備安全技，2017（4）：7－9．

［2］王智春，李煒麗，蔡文河，等．超臨界鍋爐過熱器聯箱管座斷裂原因分析［J］．華北電力技術，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構形式分析［J］．內蒙古電力技術，2017，35（4）：73－76，80．

［6］張立新．火電機組承壓部件失效典型應力集中因素分析［J］．山東電力技術，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