淺談鍋爐高溫過熱器聯(lián)箱接管座角焊縫裂紋原因

趙 瑞

（山西大唐國際云岡熱電有限責(zé)任公司，山西 大同 037039）

鍋爐高溫過熱器聯(lián)箱接管座角的焊縫出現(xiàn)裂紋，會導(dǎo)致裂紋的不斷擴展，使得過熱器發(fā)生管爆事故。管爆事故的發(fā)生，不僅會給機組設(shè)備帶來不可挽回的經(jīng)濟損失，同時也會給鍋爐的經(jīng)濟安全生產(chǎn)帶來潛在危險。本文對某發(fā)電站的6號鍋爐的高溫過熱器聯(lián)箱接管座角焊縫裂紋的原因展開深入分析，主要是從結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接質(zhì)量和運行管理方面進行深入探討，并結(jié)合實際原因，進行了鍋爐結(jié)構(gòu)方面的改造。實踐表明[1-3]，所改造后的鍋爐運行狀況良好，其高溫過熱器聯(lián)箱接管座角焊縫裂紋的出現(xiàn)頻率大大降低。

1 設(shè)備概況

某發(fā)電站6號鍋爐設(shè)備由固態(tài)排渣、單汽包和自然循環(huán)煤粉爐組成，其設(shè)備布置形狀為T字形左右布置。該鍋爐的主要參數(shù)如下：鍋爐的再熱蒸汽進口壓力為2.65MPa，進口溫度為327℃；再熱蒸汽出口壓力為2.5 MPa，出口溫度為545℃。該鍋爐的蒸汽流程為：蒸汽最開始從汽輪機的高壓缸引出，之后通過兩條管路達(dá)到鍋爐內(nèi)部，鍋爐內(nèi)的蒸汽分作兩股通過調(diào)節(jié)汽閥進入過熱器，在直接送至再熱器的低溫段，之后交叉進入過熱器高溫度段，由導(dǎo)溫管進入位于左右兩側(cè)的再熱器聯(lián)箱，最后通管路進入汽輪機的中壓缸。其中，高溫過熱器對稱分布于爐膛出口處，呈現(xiàn)左右前后四角布置。

2 設(shè)備鍋爐高溫過熱器聯(lián)箱接管座角焊縫裂紋問題產(chǎn)生

該鍋爐設(shè)備投產(chǎn)23年間，由高溫過熱器聯(lián)箱接管座角焊接裂縫導(dǎo)致的事故問題頻繁——根據(jù)統(tǒng)計，23年間，由此導(dǎo)致的過熱器管爆泄漏事故為55起，且事故發(fā)生的頻率在逐年增加。其中，聯(lián)箱外側(cè)第一根產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致泄漏的事故為47起，是事故發(fā)生的主要區(qū)域，約占85.5%；聯(lián)箱外側(cè)第二根與第三根產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致泄漏的事故分別為5次和3次，分別占9%和5.5%.聯(lián)箱接管座角焊縫裂紋的產(chǎn)生，造成過熱器發(fā)生泄漏，導(dǎo)致機組的運行停止，對生產(chǎn)造成很大經(jīng)濟損失，同時泄漏事故的發(fā)生，對于整個機組的安全生產(chǎn)造成威脅。

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，平均每次的事故檢修工作的耗費約為73.6萬元，其平均檢修過程中所導(dǎo)致的直接經(jīng)濟損失高達(dá)136.8萬元。通過這個數(shù)據(jù)可以看出，如何有效地減小鍋爐設(shè)備的高溫過熱器聯(lián)箱接管座角焊接裂縫事故的發(fā)生，對于實際生產(chǎn)應(yīng)用有著非常重要的意義。

3 鍋爐高溫過熱器聯(lián)箱接管座角焊縫裂紋問題原因分析

針對6號鍋爐投產(chǎn)以來的事故發(fā)生進行原因調(diào)查與分析，通過對該發(fā)電廠6號鍋爐高溫再熱器在原始設(shè)計方面、運行管理方面和聯(lián)箱接管的泄漏特征方面展開深入研究，發(fā)現(xiàn)該機組在啟停過程中，高溫再熱器聯(lián)箱接管座角焊縫處出現(xiàn)了很多裂紋，這是導(dǎo)致過熱器泄漏事故的直接原因。與此同時，對于高溫過熱器接管座角焊接裂縫處的裂紋出現(xiàn)原因進行了分析，其主要原因有以下幾點。

3.1 管排結(jié)構(gòu)

由事故發(fā)生的部位統(tǒng)計可知，聯(lián)箱外側(cè)第一根管排是事故發(fā)生的主要原因，其次為第二根與第三根。由此可以看出，高溫過熱器的管排直接相連的是聯(lián)箱出入口，鍋爐頂部固定有管排的中間吊掛。可見聯(lián)箱出入口管排無其他固定吊掛。因此導(dǎo)致聯(lián)箱管排角的焊縫處承受管排自身重力所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。根據(jù)實際的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該連相關(guān)出口處第一次應(yīng)力值最大為119.565 MPa，這明顯高于其許用一次應(yīng)力值77.0 MPa；同時熱態(tài)下的二次應(yīng)力值最大為285.208 MPa，相對于許用二次應(yīng)力值268.8 MPa要高。由此可見，由于高溫過熱器管排的額外剪切應(yīng)力作用，使得聯(lián)箱啟停時，導(dǎo)致的一二次應(yīng)力值明顯高于許用應(yīng)力值，使得座角焊縫處處于負(fù)荷狀態(tài)，最終導(dǎo)致焊縫處裂紋產(chǎn)生。管排的最外側(cè)第一根所承受的剪切應(yīng)力作用最大，因此其座角焊縫處出現(xiàn)裂紋的可能性最大。

3.2 聯(lián)箱導(dǎo)汽管結(jié)構(gòu)

該發(fā)電廠6號鍋爐的爐頂兩側(cè)位置均設(shè)置有兩根高溫再熱器集汽聯(lián)箱。由此可以看出，6號鍋爐左右兩側(cè)各有16根高溫再熱器出口聯(lián)箱導(dǎo)氣管聯(lián)接在集汽聯(lián)箱。其中，4，4a、9，9a處為4個導(dǎo)汽管大的固定點。鍋爐在運行過程中，高溫再熱器的出口聯(lián)接處會隨著鍋爐的運行而前后左右移動，然而其導(dǎo)汽管上部的集汽聯(lián)箱的運動只能在前后方向。由此可知，導(dǎo)汽管運動過程中會在座角的焊接處產(chǎn)生一個大的扭矩，正是由于這個扭矩的長期作用，導(dǎo)致了座角的焊接處容易產(chǎn)生裂紋。

經(jīng)過實際計算可知，當(dāng)高溫再熱器的運行過程中出現(xiàn)故障導(dǎo)致上部的集汽聯(lián)箱無法運動時，已知管排的角焊縫處的許用應(yīng)力在103.054 MPa左右，接近座角焊接處部位的許用應(yīng)力為115.5 MPa左右，由此可以計算出鍋爐啟停瞬間所造成的應(yīng)變扭矩越為13 000 N·m左右。如此大的扭矩左右于管排時，其最薄弱處即座角的焊接處就會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

3.3 其他原因?qū)е碌淖呛缚p裂紋3.3.1 管排的焊接缺陷

高溫再熱器與聯(lián)箱排管之間的焊接通常是采用插入式的焊接方式。這種焊接方式屬于未焊透式焊接結(jié)構(gòu)，采用這種焊接方式的原因在于確保聯(lián)箱運動過程的靈活性。正由于如此，其焊接部位的根部正是結(jié)構(gòu)的最薄弱點。在鍋爐的正常運行過程中，其薄弱點就成為最容易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生的部位。

3.3.2 鍋爐啟停過程導(dǎo)致的交變應(yīng)力值過大

機組的啟動與停止過程，鍋爐的前側(cè)高溫再熱器的出口溫度瞬間變化值很大，甚至?xí)啻纬鏊?guī)定的溫度值。這必然導(dǎo)致機器啟動與停止瞬間溫度應(yīng)力值過大，長久如此，對于結(jié)構(gòu)的損傷會進行累加，加重了結(jié)構(gòu)薄弱點處的破壞。

綜上所述，該發(fā)電站6號鍋爐的高溫再熱系統(tǒng)排管以及集汽聯(lián)箱支架設(shè)計存在一些不合理之處。如何解決高溫過熱器聯(lián)箱接管座角處焊接裂紋的問題，值得進一步進行研究，以下將會提出一些改進方面的設(shè)想。

3.4 高溫鍋爐過熱器聯(lián)箱接管座角焊接裂紋的改進措施

可以在高溫再熱器出口排管處安裝一個自動調(diào)節(jié)的彈簧裝置，減弱由于啟動停止過程中所導(dǎo)致的很大扭矩，從而減小座角焊接處的瞬間應(yīng)力，減小其裂紋產(chǎn)生。同時在吊裝管排部位設(shè)置一個均勻的橫裝調(diào)板，這樣可以使得管排整體受力均勻。我們知道，當(dāng)管排受到很大的瞬間溫度應(yīng)力時，彈簧吊裝系統(tǒng)的存在，可以大大減弱鍋爐過熱器聯(lián)箱接管座角焊接處的作用力，達(dá)到保護座角焊接處的作用。

4 結(jié)束語

本文重點對某電站的6號鍋爐高溫過熱器聯(lián)箱接管座角焊縫出現(xiàn)裂紋的原因展開了分析，其中主要包括：①鍋爐結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的焊接處裂紋的產(chǎn)生，即高溫過熱器的管排直接相連的是聯(lián)箱出入口，鍋爐頂部固定有管排的中間吊掛。可見，聯(lián)箱出入口管排無其他固定吊掛，因此導(dǎo)致聯(lián)箱管排角的焊縫處承受管排自身重力所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。②導(dǎo)汽管結(jié)構(gòu)的原因，即導(dǎo)汽管在機組啟停過程中所承受的瞬間溫度應(yīng)力作用。③鍋爐在運行過程中的原因，即鍋爐自身焊接的原因。

通過對于座角焊接處裂紋產(chǎn)生的原因的深入分析之后，本文給出了相應(yīng)的解決措施，即通過增設(shè)彈簧裝置和吊板設(shè)置來有效地保護座角焊接處，減弱由于一些作用而導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生。

[1]張輪，張東文，李瑞峰，等.鍋爐高溫過熱器聯(lián)箱接管座角焊縫裂紋原因分析[J].金屬加工研究與應(yīng)用，2010（7）.

[2]胡新芳，岳增武，薛琦，等.聯(lián)箱管座角焊縫裂紋原因分析[J].山東電力技術(shù)，2008（5）.

[3]邵群，孫春暉.高溫再熱器聯(lián)箱管排角焊縫泄漏原因分析與改造措施[J].河北電力技術(shù)，2008（2）.