超超臨界鍋爐化學(xué)管座失效及改進(jìn)
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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(duì)管座受力進(jìn)行分析，結(jié)合硬度及材質(zhì)檢測(cè)、斷面分析研究管座失效原因，并對(duì)管座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。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(jìn)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(jī)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(jī)組存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)?；痣姍C(jī)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(cuò)材料、采用不合理的管座結(jié)構(gòu)、膨脹管設(shè)計(jì)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(qiáng)型管座、采用柔性結(jié)構(gòu)、改善小管的補(bǔ)償能力、加裝保護(hù)套管、加強(qiáng)對(duì)管座的定期檢驗(yàn)［4］。承壓部件出現(xiàn)裂紋泄漏的現(xiàn)象在火電機(jī)組上比較普遍，并且一旦發(fā)生，危險(xiǎn)系數(shù)高。某電廠660MW超超臨界機(jī)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(jī)組安全生產(chǎn)。筆者針對(duì)該機(jī)組管座失效問題開展分析研究，并提出改進(jìn)措施。
1問題簡(jiǎn)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(cè)主蒸汽品質(zhì)。2011年機(jī)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(jì)，同類型管座均在運(yùn)行7萬h左右時(shí)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。化學(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(jì)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(gè)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(duì)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(duì)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(jì)算方法參考GB50764—2012《電廠動(dòng)力管道設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(dá)387MPa（1MPa＝106N／m2）。蒸汽管道內(nèi)的蒸汽流速隨負(fù)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(diǎn)的移動(dòng)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(jì)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(cè)
采用HT－1000A硬度計(jì)、DE2000光譜儀對(duì)化學(xué)取樣管、管座及焊縫進(jìn)行硬度和材質(zhì)檢測(cè)，檢測(cè)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(jì)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(huì)使硬度明顯下降，造成焊縫接口處機(jī)械強(qiáng)度降低。
2．4斷面分析
剖開管座進(jìn)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?yàn)椋海?）焊接區(qū)同時(shí)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(jì)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(yùn)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(kuò)展，直至管座裂開泄漏。
3改進(jìn)方案
根據(jù)管座失效原因分析，提出了管座改進(jìn)結(jié)構(gòu)（見圖7）以替代原結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)有：（1）焊縫采用非重合設(shè)計(jì)，防止應(yīng)力疊加。（2）改進(jìn)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(jìn)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(jìn)行焊接。（4）經(jīng)核算，管座改進(jìn)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)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(jìn)結(jié)構(gòu)以替代原管座，改進(jìn)后的管座與化學(xué)取樣管采用同種材質(zhì)，并用同種進(jìn)行焊絲焊接，有效解決了管座失效的問題。
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作者：廖偉輝 員盼鋒 單位：廣東紅海灣發(fā)電有限公司