660 MW機(jī)組過熱器出口聯(lián)箱疏水管焊縫開裂原因分析及處理措施

張玉軍，張節(jié)信

(華能邯峰發(fā)電廠，河北 邯鄲 056200)

1 焊縫開裂情況

華能邯峰發(fā)電廠一期工程安裝了2臺660 MW的燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐為亞臨界壓力、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、“W”火焰、固態(tài)排渣、Π型布置、單汽包自然循環(huán)煤粉爐。2臺機(jī)組分別于2001年3月和2001年9月投入商業(yè)運(yùn)行。鍋爐過熱器設(shè)計(jì)了2個出口聯(lián)箱，出口聯(lián)箱南北方向布置。每個出口聯(lián)箱設(shè)計(jì)有2個疏水管座和1根疏水母管，2根疏水母管并排布置，從鍋爐南側(cè)引出。在機(jī)組正常運(yùn)行期間，空氣預(yù)熱器蒸汽吹灰器的吹灰汽源取自過熱器2個出口聯(lián)箱的疏水母管。過熱器出口聯(lián)箱材質(zhì)為SA 335 P22，規(guī)格為φ736.6 mm×124.5 mm；聯(lián)箱疏水管座材質(zhì):SA 336 F22；疏水管材質(zhì)為SA 335 P22，規(guī)格為φ48.3 mm×10.2 mm。機(jī)組額定負(fù)荷下，過熱器出口蒸汽參數(shù)為16.69 MPa，540.8 ℃。

2010年3月,2號機(jī)組檢修時，位于爐前的過熱器出口聯(lián)箱南側(cè)的疏水管座與疏水管間連接焊縫的熱影響區(qū)半周開裂，如圖1所示。

圖1 焊縫開裂位置

檢查發(fā)現(xiàn)過熱器出口聯(lián)箱疏水母管位于爐外的一處滑動支撐處存在膨脹受阻的問題，初步分析認(rèn)為焊縫開裂是因?yàn)槭杷腹茉跓釕B(tài)時膨脹受阻，疏水管與管座連接焊縫處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力引起的。為消除疏水母管膨脹受阻的缺陷，對開裂的疏水管焊縫進(jìn)行了恢復(fù)。2011年2月,1號機(jī)組檢修時，發(fā)現(xiàn)1號鍋爐過熱器出口聯(lián)箱同一位置的焊縫熱影響區(qū)也出現(xiàn)了同樣的開裂問題，檢查各處未發(fā)現(xiàn)膨脹受阻問題。

2 焊縫開裂原因分析

2.1 交變熱應(yīng)力

通過查閱資料和現(xiàn)場確認(rèn)發(fā)現(xiàn)，過熱器出口聯(lián)箱及其疏水立管在2個聯(lián)箱北側(cè)設(shè)計(jì)了膨脹死點(diǎn)，出口聯(lián)箱熱態(tài)時南北方向上向南側(cè)的膨脹值為158 mm。同一出口聯(lián)箱上2個疏水管座間水平疏水母管的長度約為34 m，2個管座間的疏水母管上設(shè)計(jì)有多個U形膨脹彎，用于補(bǔ)償出口聯(lián)箱和2個疏水管座間疏水母管的膨脹差。在空氣預(yù)熱器不吹灰時，疏水母管內(nèi)為靜態(tài)蒸汽，疏水母管的溫度較出口聯(lián)箱溫度低，此時聯(lián)箱疏水管座與疏水管間的連接焊縫的熱應(yīng)力狀態(tài)基本不發(fā)生變化。但是空氣預(yù)熱器每天至少進(jìn)行3次吹灰，空氣預(yù)熱器吹灰時，疏水管內(nèi)有過熱蒸汽流動，出口聯(lián)箱2個疏水管座間的疏水母管的溫度水平與出口聯(lián)箱相當(dāng)，疏水母管會膨脹伸長，使聯(lián)箱疏水管座與疏水管間連接焊縫的熱應(yīng)力發(fā)生變化；當(dāng)空氣預(yù)熱器吹灰結(jié)束后，隨著疏水母管溫度逐漸降低，疏水母管會收縮，再次引起聯(lián)箱疏水管座與疏水管間連接焊縫的熱應(yīng)力發(fā)生變化。因?yàn)槌隹诼?lián)箱北側(cè)的疏水立管設(shè)計(jì)為膨脹死點(diǎn)，所以這一熱應(yīng)力的變化主要作用在出口聯(lián)箱南側(cè)的疏水立管與管座間的連接焊縫上。由此可見，2個出口聯(lián)箱南側(cè)的疏水立管與管座間的連接焊縫在機(jī)組運(yùn)行期間承受著低周交變熱應(yīng)力的作用，若這一交變熱應(yīng)力較大，在長期的作用下，焊縫就會疲勞開裂。從焊縫裂紋金相電鏡掃描照片(見圖2)可以看出，焊縫起裂處明顯存在疲勞特征。

圖2 裂紋金相電鏡掃描照片

2.2 疏水管結(jié)構(gòu)

從焊縫發(fā)生開裂的疏水管的結(jié)構(gòu)可以看出:疏水管座與疏水管間的連接焊縫位于最小截面處，結(jié)構(gòu)本身就容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；疏水管座與疏水母管間的連接管段太短，對出口聯(lián)箱和2個疏水管座間疏水母管熱膨脹差的補(bǔ)償能力不足。

3 處理措施及效果

針對應(yīng)力集中問題，對疏水管與管座的連接焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造(如圖3所示)，去掉疏水管座與疏水管間的插焊連接套管，改為對接焊接結(jié)構(gòu)，最大限度地緩解焊縫處的應(yīng)力集中問題。

圖3 改造后的焊縫結(jié)構(gòu)

檢查發(fā)現(xiàn)位于爐后的另一個出口聯(lián)箱南側(cè)的疏水管管座與疏水母管間的連接管上存在3個90°彎頭，而且還有約3 m長的直管段，相同位置的焊縫未發(fā)現(xiàn)問題。分析認(rèn)為熱態(tài)時，連接管上的彎頭和較長的直管段的變形補(bǔ)償了出口聯(lián)箱和2個疏水管座間疏水母管的部分膨脹差，使疏水管與管座間的連接焊縫承受的低周交變熱應(yīng)力大幅減小。因此，該疏水管與管座間的連接焊縫未出現(xiàn)疲勞開裂的問題。于是對焊縫發(fā)生開裂的疏水管進(jìn)行了改造(如圖4所示)，在疏水管座與疏水母管間的連接管上設(shè)計(jì)了一個U形彎和較長的直管段，以最大限度地減小連接焊縫承受的交變熱應(yīng)力，防止焊縫疲勞開裂。

圖4 改造后的疏水連接管結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

由于電廠鍋爐聯(lián)箱疏水管與管座間的連接焊縫及管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、運(yùn)行期間承受較大交變熱應(yīng)力作用等原因，存在開裂泄漏的隱患，通過對其焊縫及管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造，可以最大限度地減小焊縫承受的交變熱應(yīng)力，消除泄漏隱患。