670t/h電站鍋爐汽包角焊縫缺陷修復(fù)中應(yīng)力計算與變形、位移控制研究

【摘要】鍋爐汽包是一個體積大、質(zhì)量大，幾乎不能更換的關(guān)鍵受壓部件，目前對在役鍋爐汽包角焊縫的修復(fù)非常慎重。本文針對馬電公司670t/h鍋爐汽包角焊縫修復(fù)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，研究了汽包防止變形的應(yīng)力強度計算，汽包受力計算，汽包集中下降管受力計算及固定技術(shù)，汽包吊桿受力分析及熱處理時溫度控制技術(shù)，汽包位移、變形量的監(jiān)控測量技術(shù)，分析了實際施工過程當中的難點和關(guān)鍵控制點。

【關(guān)鍵詞】汽包；焊接缺陷；應(yīng)力計算；變形；位移

1、研究背景及意義

本文以馬電公司DG670/13.7—8型鍋爐汽包角焊縫原始缺陷修復(fù)作為研究對象，針對修復(fù)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，限于篇幅限制，僅研究了汽包防變形計算，受力計算，集中下降管受力計算及固定技術(shù)，汽包位移、變形量的監(jiān)控測量技術(shù)，分析了施工過程當中的難點和關(guān)鍵點，為鍋爐汽包角焊縫修復(fù)提供了重要的指導(dǎo)意義。

2、汽包角焊縫缺陷修復(fù)總體介紹

本次汽包角焊縫修復(fù)工程對與汽包連接的125根大管角焊縫（16根φ159×16的給水管、72根φ133×13汽水管道和20根φ159×16的汽水聯(lián)接管、16根φ108×10的飽和汽引出管和1根φ133×10的事故放水管共125根大管管接頭）進行了更換管座、重新焊接，對電站鍋爐汽包進行如此大規(guī)模的現(xiàn)場修復(fù)在國內(nèi)還屬首例，修復(fù)工作技術(shù)難度大、標準要求高，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可供借鑒。

3、汽包預(yù)防變形應(yīng)力強度計算、校核

汽包受力體系是鍋爐所有受力當中最為復(fù)雜的體系，其連接著鍋爐省煤器來水管、下降管、上升管、飽和汽引出管、事故放水管等大直徑管道，受力計算不準確將會嚴重影響到鍋爐的安全運行[1]。

3.1汽包及相連管道、附件的基本狀況

汽包本體材料：BHW35，外徑：1790mm，內(nèi)徑：1600mm，壁厚：95mm； 重量：95t；全長：21808mm。

集中下降管：材料：20G，規(guī)格：φ377mm×36mm，與汽包連接補強處規(guī)格：φ467mm×90mm，每根重量（含保溫）：約10.0t。分散下降管：材料：20G，規(guī)格：φ159mm×16mm，每根重量（含保溫）：約0.9t。汽包吊架：材料：SA675-70。規(guī)格：φ170mm；吊架中心距：14650mm。

3.2汽包吊桿受力

不考慮下降管重量時，吊桿受力：σ=15.5MPa?？紤]下降管重量時，吊桿受力：σ=18.5MPa。

SA675-70強度等級接近于SA210C，高于我國的20G。以20G性能數(shù)據(jù)進行校核是傾于保守的。

20G鋼在480℃時許用應(yīng)力[σ]=38.0MPa，500℃時的最小σs=105MPa，σb=228MPa，600℃時的σs=100MPa，σb=127MPa。

在480℃溫度下，吊桿受力σ≤[σ]；在600℃溫度下，吊桿受力σ≤σs。因此在480℃溫度及以下，吊桿是安全的，且不會產(chǎn)生塑性變形。

3.3集中下降管受力計算

汽包熱處理過程中，下降管管座補強處溫度600℃，規(guī)格：φ467mm×90mm。下降管規(guī)格φ377mm×36mm。下降管管座補強處（φ467mm×90mm）受力；下降管（φ377mm×36mm）受力20G材料600℃時的σs=100MPa，σb=127MPa。因此下降管的自重不會導(dǎo)致下降管產(chǎn)生塑性變形。

3.4汽包撓度計算

本汽包采用懸吊結(jié)構(gòu)，兩組吊架。因此將汽包作為簡支梁計算其撓度。最大撓度位于汽包中心。

汽包重量F=9.5×105N；兩吊架間距L=14.65m；600℃時BHW35鋼的彈性模量E=1.66×1011Pa。根據(jù)以上條件計算得出，當不考慮下降管重量時，汽包中心撓度f=2.03mm；當考慮下降管重量時，汽包中心撓度f=3.59mm。

以上計算結(jié)果是在沒有考慮汽包兩端封頭的影響，如果加上這方面的影響，則計算的撓度還會小一些。

4、汽包變形與位移的分析和控制措施

4.1汽包變形與位移分析

汽包修復(fù)過程中受焊接應(yīng)力及熱處理溫度的影響，可能產(chǎn)生如下變形與位移：（1）縱向：由于膨脹，汽包將沿縱向伸長，根據(jù)計算，汽包端部將縱向伸長79mm；（2）垂向：汽包修復(fù)前的原始撓度為11.5mm，在600℃下汽包彈性模量降低，汽包原有部分彈性變形將會回復(fù)；吊桿受熱后會伸長，汽包可能產(chǎn)生整體向下位移；焊接和熱處理的不均勻溫度場，會使汽包上曲或下?lián)?；汽包周向膨脹也會使汽包產(chǎn)生垂直方向的位移；（3）橫向：主要由于汽包的膨脹產(chǎn)生橫向位移，聯(lián)接管割除后與焊接中，由于汽包受力發(fā)生變化，汽包也會產(chǎn)生橫向位移；（4）撓度變形：如果汽包在垂向方向上的變形不一致，汽包可能撓曲變形；（5）側(cè)彎變形：在焊接應(yīng)力的作用下，汽包可能會發(fā)生側(cè)彎；（6）平移：受管接頭割除和新管接頭焊接的影響，汽包可能產(chǎn)生平移。

4.2控制汽包變形與位移的措施

導(dǎo)致汽包過大塑性變形的原因有：汽包膨脹受阻產(chǎn)生的拘束應(yīng)力；汽包溫差產(chǎn)生的溫差應(yīng)力；吊桿溫度過高導(dǎo)致吊桿伸長產(chǎn)生塑性變形；焊接應(yīng)力導(dǎo)致汽包橫向彎曲。

修復(fù)中采取了以下措施：

（1）汽包附屬管道加固

①為了減輕集中降水管的重量對汽包下?lián)系挠绊懀O(shè)計了集中降水管加固裝置。用砂輪機將加固裝置和支撐梁兩者的接觸面打磨去除鐵銹并涂上黃油，以減少集降管隨汽包移動時的摩擦力。將加固裝置擱置于的支撐梁上，每側(cè)距支撐梁100mm。在加固裝置不受力的情況下將腹板焊接于降水管管壁上。②汽包其它聯(lián)接管加固。汽包其它管道固定型式采用多根管連鎖固定，用倒鏈連接于爐頂鋼梁上。

（2）清除汽包膨脹障礙；

①清除分散降水管與鍋爐鋼架之間的保溫；②切斷與汽包相連的熱工管道；③割除水位計、安全閥管道膨脹方向上的固定卡。

（3）控制吊桿溫度，加強吊桿冷卻；

①汽包吊桿溫度控制方法。熱處理過程中，為控制吊桿溫度不超過400℃，采取了以下技術(shù)措施：吊桿和墊板區(qū)域不保溫，以加強散熱；用銼刀、鋼絲刷等清除吊桿、墊板上的雜物加強散熱；加裝冷卻裝置，對吊桿強制冷卻。冷卻管與吊桿采用管卡用螺栓固定，嚴禁在吊桿上焊接。運行時通過1臺空壓機提供壓縮空氣作為冷卻介質(zhì)。空壓機與冷卻裝置連接的管路上設(shè)有調(diào)節(jié)閥，熱處理時根據(jù)墊板與吊桿的溫度，調(diào)節(jié)壓縮空氣流量，以控制吊桿的溫度。壓縮空氣壓力保持為0.4-0.6MPa。②熱處理過程中汽包吊桿與墊板溫度。為了監(jiān)測熱處理過程中吊桿與墊板的溫度，左右側(cè)吊桿與墊板上各裝設(shè)了1只熱電偶。吊桿熱電偶位于汽包后側(cè)5-6點鐘位置，塞入與墊板的縫隙中。墊板熱電偶位于墊板外弧面5-6點鐘位置，用氬弧焊焊于墊板上。吊桿與墊板的溫度設(shè)定曲線，觀測得到的左右側(cè)吊桿的最高溫度分別為330℃、380℃，左右側(cè)墊板的最高溫度分別為370℃、350℃。

（4）合理安排焊接順序。以汽包前后兩個區(qū)間對稱進行；每一排管接頭焊接時，從汽包中間向汽包兩端對稱進行。

（5）控制熱處理時的升降溫速度，減小汽包內(nèi)外壁溫差、周向與縱向溫差。

4.3對汽包變形與位移的監(jiān)測和測量

（1）變形與位移的監(jiān)測。為達到汽包變形與位移的監(jiān)測的準確性，應(yīng)裝設(shè)多組位移監(jiān)測裝置，并且能夠三向指示，相同位置監(jiān)測裝置不少于2點以備校核[2]。

本次汽包變形與位移的監(jiān)測設(shè)置了10組汽包變形與位移監(jiān)測點。在汽包爐前側(cè)剛性梁上安裝刻度牌，將刻度指針焊于汽包壁上。安裝時，拉線使刻度牌零點位于同一水平線上，指針焊接點位于同一水平線上。

監(jiān)測結(jié)果顯示汽包變形、位移最大位移、殘余變形分別為19mm、10mm，滿足要求。

（2）汽包撓度、圓度及水平度測量

①汽包撓度測量方法。清除汽包表面雜物，將拉力螺桿焊于汽包兩端剛性梁上，調(diào)整拉力螺桿，拉緊測量用鋼絲繩；用簡易水平儀、鋼板尺測量鋼絲繩兩端及中部的高度差，計算出鋼絲繩撓度；根據(jù)測量結(jié)果，計算出汽包撓度。②汽包水平度測量。簡易水平儀調(diào)平，并標記；測量離基準點同一高度的水平差，即為汽包水平度。③汽包圓度測量。在汽包筒體內(nèi)，用測量繩分別測量汽包上下、左右長度，然后用鋼卷尺測量測量繩的長度；測量時，由同一組人完成，以保證測量繩的張緊度基本一致；同一截面的差值，即為汽包不圓度。④測量結(jié)果分析。汽包修復(fù)前后測量圓度差值最大4mm，撓度差值最大0.8mm，水平度差值最大2.3mm，均小于JB1609-93要求。汽包控制汽包變形與位移控制措施的設(shè)計、施工都很合理，從而保證了汽包修復(fù)后變形和位移都在允許范圍之內(nèi)。

5、結(jié)論

本文研究了670t/h鍋爐汽包角焊縫修復(fù)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，對汽包防止變形的應(yīng)力強度進行了計算，對汽包受力進行計算，汽包位移、變形量的監(jiān)控測量技術(shù)，經(jīng)過本論文工作，可得到如下結(jié)論：

（1）詳細了解鍋爐汽包結(jié)構(gòu)、原始資料、目前設(shè)備狀況對汽包修復(fù)起到至關(guān)重要的作用。（2）在修復(fù)過程中汽包預(yù)防變形應(yīng)力強度計算、校核是修復(fù)的基本計算，做到分析周到、方法正確、計算準確，可以使汽包修復(fù)后變形應(yīng)力減小到最小值。（3）在汽包修復(fù)過程中采用合適的固定方法、合理的冷卻方法可以減少變形與位移。