熱力承壓部件膨脹不暢引發(fā)的失效分析及防范

許好好 鮑 聽(tīng)

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司 杭州 310003）

熱力承壓部件膨脹不暢引發(fā)的失效分析及防范

許好好 鮑 聽(tīng)

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司 杭州 310003）

本文筆者根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合具體案例，分析了三類(lèi)承壓部件（鍋爐水冷壁、汽水管道、聯(lián)箱角焊縫）因膨脹不暢引發(fā)的失效特征和原因，并提出了相應(yīng)的防范和整改措施。對(duì)火力發(fā)電廠承壓部件防止膨脹拉裂引起的失效有一定的參考和借鑒意義。

熱力承壓部件 膨脹 失效分析和防范

火力發(fā)電廠熱力系統(tǒng)承壓部件，經(jīng)常處于啟停、變負(fù)荷工況下服役，在熱循環(huán)的作用下，就會(huì)發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象。在熱脹冷縮的變化過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，如果所產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)部件所能承受的載荷，就會(huì)發(fā)生塑性變形，乃至疲勞破壞。為了確保各受熱部件有規(guī)律地進(jìn)行膨脹，使熱應(yīng)力控制在可接受的范圍，必須對(duì)鍋爐和汽水管道進(jìn)行合理的膨脹和約束的設(shè)計(jì)，如對(duì)鍋爐需要人為地設(shè)定膨脹中心并通過(guò)合理設(shè)置膨脹導(dǎo)向裝置予以實(shí)現(xiàn)[1]，對(duì)汽水管道要采取合理設(shè)置吊架、彎管、限位等措施來(lái)應(yīng)對(duì)膨脹問(wèn)題。 但對(duì)于龐大的熱力系統(tǒng)，膨脹不暢的隱患會(huì)來(lái)自于設(shè)計(jì)、制造、安裝（或改造）及運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)。從筆者長(zhǎng)期積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，爐墻水冷壁、爐外承壓管道、集箱管座角焊縫容易因膨脹不暢引發(fā)拉裂泄漏現(xiàn)象，需引起高度重視。下面針對(duì)這三類(lèi)部件，結(jié)合具體案例進(jìn)行分析和探討，并提出相應(yīng)的防范措施。

1 爐墻水冷壁管膨脹拉裂

水冷壁管通過(guò)與鰭片的連接形成膜式水冷壁，并通過(guò)附焊件與剛性梁連接，水冷壁上還布置有燃燒器、風(fēng)箱、吹灰器等裝置，水冷壁管容易因膨脹不暢而被拉裂泄漏暴露較突出的部位歸納起來(lái)有兩類(lèi)：

1）與梳形板焊接部位；

2）結(jié)構(gòu)特殊部位。

1.1 與梳形板焊接部位

上海、哈爾濱等鍋爐廠采用美國(guó)燃燒工程公司（CE）引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的某些類(lèi)型鍋爐，水冷壁爐膛剛性梁通過(guò)綁帶槽鋼和焊在膜式壁上的梳形板焊接在一起，在鍋爐熱態(tài)運(yùn)行狀況下，由于熱傳導(dǎo)及散熱等原因，水冷壁與槽鋼之間存在一定的溫差，尤其在鍋爐啟停階段及大幅變負(fù)荷工況下溫差會(huì)更大，加上結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中因素，容易導(dǎo)致連接焊縫被拉裂并貫穿水冷壁母材，引起泄漏。拉裂最常發(fā)生在梳形板焊縫布置不合理或者是轉(zhuǎn)角部位。圖1為某300MW機(jī)組亞臨界鍋爐6.3m爐前墻一根水冷壁管與梳形板焊連處被拉裂泄漏，原因系安裝過(guò)程將過(guò)多的梳形板（4塊）連接在一起，加劇了膨脹不暢的工況。圖2為某300MW機(jī)組亞臨界鍋爐6.3m前墻與右側(cè)墻交叉部位梳形板及焊縫被拉裂，所幸裂紋沿管子邊緣擴(kuò)展，未引起管子拉裂。

防范措施：利用檢修機(jī)會(huì)對(duì)梳形板的連接方式和焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)未按圖紙施工及連接不合理的（如兩塊梳形板對(duì)接在水冷壁管子上、梳形板連接過(guò)長(zhǎng)等），應(yīng)安排整改。對(duì)焊縫打磨后進(jìn)行宏觀和表面探傷抽查，及時(shí)消除焊接缺陷。

圖1 某300MW機(jī)組鍋爐水冷壁受附焊件拉裂

圖2 某300MW機(jī)組鍋爐水冷壁前墻與側(cè)墻交界梳形板拉裂

1.2 結(jié)構(gòu)特殊部位

指前后墻與左右墻交叉及轉(zhuǎn)角部位、燃燒器及風(fēng)箱區(qū)域、吹灰孔附近等由于膨脹方向不一致或溫差較大引起的膨脹不暢易造成水冷壁管拉裂。圖3為某300MW機(jī)組鍋爐水冷壁前墻與右側(cè)墻交界部位泄漏，其水平位置靠近冷灰斗斜坡底部彎管處，泄漏原因系前墻與側(cè)墻膨脹方向不一致引起拉裂。圖4為某600MW機(jī)組鍋爐23m層后墻水冷壁一吹灰器附近的鰭片與管子因溫差引起膨脹不暢，在焊接缺陷部位產(chǎn)生拉裂泄漏。

圖3 某300MW機(jī)組鍋爐水冷壁前墻與右側(cè)墻交界處拉裂泄露

圖4 某600MW機(jī)組鍋爐水冷壁吹灰空附近拉裂泄露

防范措施：

1）利用檢修時(shí)機(jī)加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)特殊部位的檢查，發(fā)現(xiàn)連接不合理、連接焊縫存在缺陷的應(yīng)及時(shí)進(jìn)行整改：如發(fā)現(xiàn)吹灰孔邊緣的水冷壁管焊連在一起的應(yīng)割開(kāi)；左右墻與前后墻交叉部位的連接未按照?qǐng)D紙要求施工的應(yīng)安排整改。

2）特殊結(jié)構(gòu)部位容易在故障跳機(jī)后再次啟動(dòng)過(guò)程發(fā)生拉裂泄漏，這是因?yàn)樵谶@樣的工況下，容易忽視溫降和溫升速率的控制，要引起高度重視并加以防范。

3）燃燒器改造過(guò)程要充分考慮膨脹問(wèn)題，合理布置與水冷壁連接焊縫，并加強(qiáng)焊縫質(zhì)量的檢驗(yàn)。

2 承壓管道膨脹拉裂

承壓管道膨脹不暢引起拉裂泄漏問(wèn)題通常發(fā)生在一些集箱或主管道引出的支管上，這是因?yàn)檫@些支管缺少?lài)?yán)格的設(shè)計(jì)過(guò)程，許多支管由安裝單位負(fù)責(zé)布置和施工，安裝過(guò)程對(duì)膨脹不暢問(wèn)題未予充分考慮和重視，主要表現(xiàn)在：

1）管子約束過(guò)死；

2）管路閥門(mén)支撐不當(dāng)；

3）管路無(wú)膨脹補(bǔ)償措施。圖5為某600MW機(jī)組汽機(jī)高壓導(dǎo)汽疏水集塊引出支管角焊縫裂紋，主要原因是該管路被抱箍抱死（距離集塊僅3m左右），限制了管路的膨脹，且由于90°轉(zhuǎn)向采用套接塊的形式，使得管路缺少柔性補(bǔ)償，再加上結(jié)構(gòu)性的應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊縫服役不到1萬(wàn)h即發(fā)生開(kāi)裂失效。圖6為某300MW機(jī)組主蒸汽啟動(dòng)放汽管路焊縫開(kāi)裂失效，主要原因是管路的一、二次隔離閥采用托架的形式進(jìn)行支撐，由于閥門(mén)很重，限制了管路跟隨主蒸汽管道的膨脹而進(jìn)行移位，導(dǎo)致加強(qiáng)管座上方對(duì)接焊縫服役不到1萬(wàn)h即發(fā)生開(kāi)裂失效。圖7和圖8為某1000MW機(jī)組鍋爐空預(yù)器吹灰總管焊縫及加強(qiáng)管座開(kāi)裂，其主要原因是從鍋爐左、右兩側(cè)引出的吹灰管在爐膛中間部位通過(guò)三通后匯集成一路管路，由于管路未設(shè)置膨脹補(bǔ)償措施（如柔性彎），導(dǎo)致焊縫及加強(qiáng)管座變截面部位過(guò)早發(fā)生開(kāi)裂失效。

防范措施：

1）對(duì)蒸汽管道和管子安裝或改造，應(yīng)注意管道熱膨脹量的補(bǔ)償和吸收問(wèn)題，要重點(diǎn)考慮管路的布置（有柔性彎）、閥門(mén)的支吊（采取彈簧吊架）和限位約束裝置（防止抱死）的設(shè)置。安裝好的管路應(yīng)進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)的驗(yàn)收，確保膨脹引起的附加應(yīng)力能夠得到釋放和吸收。

2）對(duì)新建機(jī)組，在服役狀態(tài)下對(duì)高溫蒸汽引出的小管道的膨脹情況進(jìn)行全面檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的隱患，并及早進(jìn)行整改。

圖5 某600MW機(jī)組汽機(jī)高導(dǎo)疏水集塊引出管角焊縫裂紋

圖6 某300MW機(jī)組主蒸汽啟動(dòng)放汽管路焊縫開(kāi)裂失效

圖7 某1000MW機(jī)組鍋爐吹灰總管爐左側(cè)焊縫膨脹拉裂

圖8 某1000MW機(jī)組鍋爐吹灰總管爐右側(cè)大小頭截面處膨脹拉裂

3 集箱管座角焊縫拉裂

導(dǎo)致集箱管座角焊縫發(fā)生早期失效的因素是多方面的，有焊接缺陷、結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中、熱疲勞、膨脹不暢等，其中膨脹問(wèn)題引發(fā)的早期失效也時(shí)有發(fā)生，對(duì)失效原因需要認(rèn)真進(jìn)行分析，通過(guò)采取整改措施來(lái)切實(shí)加以防范。

圖9為某600MW超臨界機(jī)組鍋爐（型號(hào)：B&WB-1903/25.40-M）后墻水冷壁出口集箱進(jìn)口短管角焊縫拉裂的宏觀照片，通過(guò)全面檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該集箱兩側(cè)共有99只焊縫存在裂紋缺陷，裂紋均沿焊縫熔合線擴(kuò)展，且均產(chǎn)生于內(nèi)側(cè)，呈典型的膨脹拉裂特征。 產(chǎn)生缺陷的原因有兩方面：一是集箱與后墻水冷壁存在較大的溫差，因集箱布置在爐膛外面不受熱，而與之連接的后墻膜式水冷壁受到煙氣的輻射熱，因此運(yùn)行時(shí)膜式壁的膨脹量要比集箱大。二是缺少柔性補(bǔ)償，因膜式水冷壁到集箱的光管僅300mm左右，無(wú)法充分吸收脹差引起的附加應(yīng)力，從圖10可以看出，部分連接短管因膨脹不暢已產(chǎn)生明顯的變形。對(duì)集箱須采取增加柔性或減輕膨脹差異的整改措施，可以采用兩種整改方案：

1）將集箱向下移動(dòng)，通過(guò)增加光管長(zhǎng)度來(lái)增強(qiáng)柔性；

2）將集箱沿中間位置割開(kāi)，整改成兩個(gè)獨(dú)立的集箱，使得兩側(cè)的集箱能夠較自由地跟隨爐墻往外膨脹。

圖9 某600MW機(jī)組鍋爐后墻水冷壁集箱角焊縫裂紋

圖10 某600MW機(jī)組鍋爐水冷壁集箱連接短管變形

圖11是一臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組余熱鍋爐（型號(hào)：NGV94.3A-R）的高過(guò)2中間聯(lián)箱焊縫開(kāi)裂后泄漏的宏觀照片，通過(guò)擴(kuò)大檢查，發(fā)現(xiàn)有12只焊縫存在裂紋缺陷。對(duì)于余熱鍋爐的受熱面模塊，均非采用U形或蛇形管組形式，通常都缺少柔性，出現(xiàn)膨脹不暢情況時(shí)，容易發(fā)生拉裂現(xiàn)象。導(dǎo)致焊縫早期開(kāi)裂失效的原因主要有：

1）集箱左右兩側(cè)管子膨脹差異：燃機(jī)啟動(dòng)頻繁，在啟動(dòng)階段負(fù)荷約220MW左右減溫水投用量較大，會(huì)造成減溫器后的蒸汽出現(xiàn)帶水現(xiàn)象，且蒸汽從集箱單側(cè)進(jìn)入，這就會(huì)導(dǎo)致集箱左右兩側(cè)管子膨脹存在差異。

2）管子與上、下集箱的連接缺少柔性彎設(shè)計(jì)，無(wú)法吸收膨脹不均引起的附加應(yīng)力。對(duì)集箱須采取增加柔性的整改措施，在靠近下集箱區(qū)域，將部分管段改成蛇形彎形式。該集箱整改后運(yùn)行3年來(lái)未再次出現(xiàn)拉裂泄漏現(xiàn)象。

圖11 某余熱鍋爐高過(guò)2中間聯(lián)箱焊縫開(kāi)裂后泄露

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于電站鍋爐及承壓管道，其服役工況決定了膨脹問(wèn)題的重要性，防止膨脹不暢引起承壓部件爆泄是金屬監(jiān)督工作重要內(nèi)容之一，也是困難所在。以上三類(lèi)部件容易發(fā)生膨脹拉裂現(xiàn)象，要重點(diǎn)加以分析、檢查和防范。對(duì)在建機(jī)組，通過(guò)調(diào)研和梳理同類(lèi)型機(jī)組暴露過(guò)的問(wèn)題，采取行之有效的整改方案，使膨脹不暢的隱患爭(zhēng)取在投產(chǎn)前予以解決；對(duì)在役機(jī)組，首先要落實(shí)好運(yùn)行方面的措施，特別是要控制好溫升、溫降速率，減輕熱膨脹不暢引起的損傷，同時(shí)要對(duì)上述易發(fā)生膨脹拉裂的部件進(jìn)行歸納分析，利用檢修時(shí)機(jī)進(jìn)行檢查和分析，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行處理和整改。

1 高琴.高參數(shù)、大容量發(fā)電機(jī)組鍋爐膨脹中心研究，鍋爐技術(shù)，2010，41（5）：14～16.

Analysis and Precaution of Thermal Presure Parts’Failure Due to the Expansion Problem

Xu Haohao Bao Ting
（Zhejiang Energy Technology Research Institute Co., Ltd. Hangzhou 310003）

By introducing the failure characters of thermal pressure parts(water wall tubes,steam pipe, headers) in thermal power stations caused by the expansion problem, this paper offers the diagnosing and failure preventing methods based on experience and examples,which could be helpful in dealing with similar problem.

Thermal presure parts Expansion Failure analyzing and preventing

X933.4

：B

167 3－257 X(201 4)1 2－4 7－04 D O I: 1 0.396 9/j.i s s n.167 3-257 X.201 4.1 2.013

許好好(1969～)，男，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督工作。

2014-06-03）