超超临界锅炉化学管座失效及改进

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摘要：为解决某超超临界锅炉化学取样管管座失效导致蒸汽泄漏的问题，采用数值模拟的方法对管座受力进行分析，结合硬度及材质检测、断面分析研究管座失效原因，并对管座结构进行改进。结果表明：管座失效原因是焊缝根部未焊透及存在应力叠加，改进后管座失效问题得到解决。

关键词：超超临界锅炉；化学取样管；管座；失效分析

近年来，火电机组高温高压管的化学取样管管座频繁发生失效现象［1－3］，造成高温高压蒸汽泄漏，使机组存在极大的安全风险。火电机组管座失效的部位主要分布在锅炉联箱及高温管道上，失效的原因主要有用错材料、采用不合理的管座结构、膨胀管设计或安装欠妥、内壁积水形成热疲劳裂纹、管座的应力腐蚀开裂、焊接工艺不当引起的开裂等，采用的措施主要有采用加强型管座、采用柔性结构、改善小管的补偿能力、加装保护套管、加强对管座的定期检验［4］。承压部件出现裂纹泄漏的现象在火电机组上比较普遍，并且一旦发生，危险系数高。某电厂660MW超超临界机组化学取样管与管座焊接部位多次发生断裂，严重影响机组安全生产。笔者针对该机组管座失效问题开展分析研究，并提出改进措施。

1问题简介

某化学取样管设置于锅炉主蒸汽出口处，用于在线监测主蒸汽品质。2011年机组投产至今，化学取样管与管座的焊接部位多次发生断裂，造成蒸汽泄漏。经统计，同类型管座均在运行7万h左右时出现了管座焊缝四周存在环向裂纹的问题（见图1）。管座的安装示意图见图2、结构图见图3。化学取样管由上下两段焊接，上段与出口管焊接，下段插入主蒸汽管道（外径为609．2mm、壁厚为100mm）内，主蒸汽的额定压力为25．4MPa、额定温度为571℃（文中数值均为额定工况下的数值）。主蒸汽管道在X、Y、Z方向上的膨胀量分别为23mm、152mm、31．2mm（锅炉说明书中的设计值）。管座随主蒸汽管道一起膨胀；化学取样管上段焊接出口管的第一个支架采用抱箍固定。

2失效分析

2．1宏观结构分析

管座结构［5］存在的问题有：（1）3条焊缝重合，易造成应力叠加；（2）管座化学取样管焊缝的焊接方式不合理，采用了类似插入焊的方式，容易使焊缝根部出现未焊透的缺陷，且易存在应力集中区域。

2．2受力分析

针对管座结构存在的应力叠加且集中的问题，开展受力分析。以化学取样管为研究对象，在工作状态下，化学取样管受到主蒸汽管道内部蒸汽压力产生的应力、汽流冲刷所产生的冲击应力及管道膨胀所产生的约束应力［6］。内部蒸汽压力产生的应力计算方法参考GB50764—2012《电厂动力管道设计规范》，受蒸汽压力、壁厚等因素影响，为35MPa。冲击力与蒸汽流速、密度及受力面积相关，其计算公式为：式中：F为化学取样管受汽流冲刷所产生的冲击力，kN；p为蒸汽压力，kN／m2；S为受力面积，m2；ρ为蒸汽密度，kg／m3；v为蒸汽流速，m／s。计算可得化学取样管受汽流冲刷所产生的冲击力为363kN，以此为边界条件，利用SOLID－WORKS软件建模分析，得到化学取样管与管座的冲击应力分布见图4（屈服应力为1．72×108N／m2）。由图4可得：化学取样管与管座焊接根部的冲击应力最大，高达387MPa（1MPa＝106N／m2）。蒸汽管道内的蒸汽流速随负荷不断变化，导致根部应力不断变化，使化学取样管管座焊缝处易发生疲劳失效。管道膨胀所产生的约束应力与管道固定点的移动方向、位移、管道规格及材质相关。利用SOLIDWORKS软件建模分析，获得化学取样管受管道膨胀所产生的约束应力分布见图5（屈服应力为6．204×108N／m2），并计算出化学取样管受管道膨胀所产生的约束应力约为40MPa。

2．3硬度及材质检测

采用HT－1000A硬度计、DE2000光谱仪对化学取样管、管座及焊缝进行硬度和材质检测，检测结果见表1。由表1可知：主蒸汽管和管座材质及焊丝的选择符合设计要求，但在管座化学取样管焊缝及化学取样管上段下段焊缝处采用Ni基焊丝，会使硬度明显下降，造成焊缝接口处机械强度降低。

2．4断面分析

剖开管座进行断面检查，裂纹剖面见图6。由图6可见：在管座化学取样管焊缝处，根部存在未焊透、热影响区存在未融合的现象。从裂纹形貌分析，裂纹从根部开始，从内往外逐渐向未融合的薄弱区域发展。

2．5失效原因

分析管座失效原因为：（1）焊接区同时存在3种焊接材料，导致焊缝根部未焊透，焊接热影响区域存在未融合等原始缺陷。（2）设计不合理导致3条焊缝重合，焊接过程中存在应力叠加。（3）焊缝根部运行中受汽流冲刷所产生的交变冲击应力作用，原始缺陷沿着未融合的区域从内往外扩展，直至管座裂开泄漏。

3改进方案

根据管座失效原因分析，提出了管座改进结构（见图7）以替代原结构，其主要特点有：（1）焊缝采用非重合设计，防止应力叠加。（2）改进后的结构需要确保根部可焊透且焊缝平滑，防止焊缝应力集中。（3）改进后的管座采用化学取样管的同种材质，并用同种焊丝进行焊接。（4）经核算，管座改进结构满足强度要求。

4结语

（1）管座失效的主要原因是3条焊缝重合造成应力叠加，以及3种焊接材料导致管座根部存在未焊透、未融合等原始缺陷。（2）提出管座的改进结构以替代原管座，改进后的管座与化学取样管采用同种材质，并用同种进行焊丝焊接，有效解决了管座失效的问题。

参考文献：

［1］姜磊，罗维祺，黄浩，等．超临界锅炉四大管道管座角焊缝裂纹分析及预防［J］．特种设备安全技，2017（4）：7－9．

［2］王智春，李炜丽，蔡文河，等．超临界锅炉过热器联箱管座断裂原因分析［J］．华北电力技术，2010，40（10）：42－44．

［3］陈二松．电站锅炉集箱管座接头焊缝裂纹分析［J］．热加工工艺，2013，42（13）：209－210，213．

［4］王斌．高温蒸汽管道、联箱中小口径管座的开裂及防范措施［J］．热力发电，2003，32（4）：39－41，48．

［5］马志宝．火电厂高温高压管座结构形式分析［J］．内蒙古电力技术，2017，35（4）：73－76，80．

［6］张立新．火电机组承压部件失效典型应力集中因素分析［J］．山东电力技术，2018，45（10）：62－66．

作者：廖伟辉 员盼锋 单位：广东红海湾发电有限公司