某電廠#5、6鍋爐包覆過熱器中隔墻聯(lián)箱管座及管子拉裂分析及解決方案

摘 要：某電廠#5、6號鍋爐尾部煙道包覆過熱器中間隔墻聯(lián)箱管座及管子自投產(chǎn)后多次發(fā)現(xiàn)裂紋或直接拉裂泄露事故，對泄露的管子及出現(xiàn)裂紋的地方進行了熱力分析，研究鍋爐汽水循環(huán)結構。分析結果表明，由于鍋爐脹差客觀存在的原因，在機組運行特別是啟停過程中，中隔墻（含上、下部份）管屏與側包覆墻管存在較大溫差導致的脹差，該脹差在這個位置產(chǎn)生很大的熱脹推力，這個推力卻無法釋放，在應力集中處產(chǎn)生很大彎曲力，最終導致管子彎曲拉裂或管座拉裂，進而導致管子失效。

關鍵詞：包覆過熱器中隔墻聯(lián)箱；拉裂；泄露；脹差；熱推力；彎曲應力

1 設備運行出現(xiàn)事故情況

某電廠三期工程#5、6機組是兩臺300MW循環(huán)流化床機組，自2008年10月28日動工建設，分別于2010年的7月6日、8月24日建成投產(chǎn)。鍋爐型號為：SG-1036/17.5-M4506，鍋爐型式：單鍋筒自然循環(huán)、亞臨界中間再熱、循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐后煙井受熱面包括低溫過熱器、低溫再熱器、包覆過熱器、省煤器。后煙井上部被隔墻包覆過熱器分隔成前、后二個煙道，前煙道內布置低溫再熱器，后煙道內依次布置低溫過熱器和二級省煤器。其中中隔墻和側包墻上聯(lián)箱是單獨布置后懸吊在鍋爐頂板上，中隔墻和側包墻下聯(lián)箱是連通成一個“日”型整體布置。

機組投入運行至今，多次發(fā)現(xiàn)中隔墻下聯(lián)箱兩側管座及管子出現(xiàn)裂紋或直接拉裂泄露現(xiàn)象，進而造成機組非計劃停運搶修。具體設備情況如下：

1.1 2011年2月，#5爐中隔墻下聯(lián)箱右側管座拉裂泄漏

2011年2月20日，#5爐中修過熱器系統(tǒng)水壓試驗，在頂壓至5MPa時發(fā)現(xiàn)#5爐中隔墻下聯(lián)箱右側管座漏水，發(fā)現(xiàn)中隔墻下聯(lián)箱右側第三、四條管座與聯(lián)箱焊縫斷裂，裂口位于角焊縫與管座熱影響區(qū)域。

對泄漏點旁邊的右側包墻管（ф51×6）進行測厚沒有發(fā)現(xiàn)減薄，對泄漏點旁邊三條管子進行測厚，壁厚值分別是7.3、7.4、7.5，減薄量不大。對中隔墻右側第5至9條和左側第1至5條管座與聯(lián)箱角焊縫進行打磨著色檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常。

1.2 2011年11月，#6爐中隔墻下聯(lián)箱管座拉裂泄漏

2011年11月19日#6機組補水率大，確認中隔墻有管子泄露。在停爐后，四管防磨人員進入爐內檢查，發(fā)現(xiàn)中隔墻下聯(lián)箱連接管座下焊縫熱影響區(qū)（B側）有1個漏點，泄漏處為環(huán)形裂紋，裂紋起始方向為爐前往后方向。經(jīng)對中隔墻下聯(lián)箱管座處（B側）管子著色檢查，發(fā)現(xiàn)除已漏的管子外，附近三根管子管座已存裂紋（如圖2所示）。

1.3 2014年7月，#6爐中隔墻下聯(lián)箱管子拉裂泄漏

2014年7月，經(jīng)巡查發(fā)現(xiàn)#6爐尾部煙道中隔墻下聯(lián)箱處有泄露的響聲，檢查確認中隔墻下聯(lián)箱處有管子泄露。在停爐后進入檢查發(fā)現(xiàn)爐中隔墻聯(lián)箱B側第二根管子在內彎處開裂，管子已經(jīng)失效（見圖2）。該根管子開裂后對旁邊第三根管子造成吹損，檢查發(fā)現(xiàn)第四根管子在內彎頭處也明顯存在裂紋?，F(xiàn)場對其它13根彎管的彎頭位置進行磁粉探傷檢查，發(fā)現(xiàn)第5、6、7根彎管在內彎頭位置都存在裂紋現(xiàn)象。

2 中隔墻下聯(lián)箱管子及管座產(chǎn)生裂紋的原因分析

包覆過熱器中隔墻下聯(lián)箱上連接的是一排規(guī)格為ф32×8，20G的管子，原設計安裝時聯(lián)箱兩端前兩根管子有一定的彎曲，其他的都是直管。發(fā)生泄漏的地方（如圖3所示）幾乎都是在中隔墻下聯(lián)箱兩側第一、二根彎曲的管子或第一、二根直管管座處，且在第一次發(fā)生泄漏后檢查發(fā)現(xiàn)中隔墻下聯(lián)箱右側第三至八條管直段均有不同程度的彎曲變形，中隔墻上部高溫段直管也存在更明顯的管子彎曲變形現(xiàn)象?？梢娭懈魤^熱器在實際運行中肯定存在膨脹受阻。導致膨脹受阻的可能原因如下：

中隔墻和側包墻上聯(lián)箱是單獨布置后懸吊在鍋爐頂板，中隔墻和側包墻下聯(lián)箱是連通成一個“日”型整體布置。側包墻管子單面吸熱，中隔墻布置在后煙井中間管子兩面同時吸熱。同時中隔墻管徑比側墻管徑小，熱量傳遞比側包墻慢，在機組啟停過程中隔墻熱膨脹量比側包墻大。這樣在中隔墻和側包墻下聯(lián)箱連通成一體的情況下，必然產(chǎn)生中隔墻與側包墻實際運行中膨脹不同步。中隔墻管屏已發(fā)生的彎曲變形狀況也證明了這一分析。

中隔墻下聯(lián)箱右側第一、二條管是彎管，其后均是直管，這樣最邊沿的直管在發(fā)生膨脹不暢時產(chǎn)生應力較大，出現(xiàn)焊口拉裂（如圖1）。

由于在運行過程中，特別是在啟停過程中，中隔墻（含上、下部份）管屏與側包覆墻管存在較大溫差導致的脹差，該脹差在這個位置產(chǎn)生很大的熱脹推力，使得管屏彎曲變形，在幾何結構最不連續(xù)處即應力最集中的管座處產(chǎn)生很大的彎曲應力。當管屏彎曲變形后，管座的一側受拉，另一側受壓。從現(xiàn)場中發(fā)現(xiàn)，管屏朝爐前彎曲，在中隔墻比側包墻熱時，中隔墻膨脹量大，此時前側受壓，后側受拉，在中隔墻較側包墻較快冷卻時，前側受拉，后側受壓。因此，該彎曲應力是交變彎曲應力。所以，應是熱脹推（拉）力產(chǎn)生的交變彎曲應力導致的疲勞開裂。開裂在爐前后兩個方向都有可能產(chǎn)生?？梢哉J為，在升負荷（啟爐）時，中隔墻受熱快，且管內介質為下游，溫度較高，因此，中隔墻膨脹量較大，此時，管屏表現(xiàn)為熱脹推力，產(chǎn)生向前拱的彎曲變形后，在管座爐前側為壓應力，在爐后側位拉應力。在降負荷時，則相反。此時，爐前側為拉應力，爐后側為壓應力。受拉的應力才會導致開裂，因此，爐前側的開裂多發(fā)生在降負荷（停爐）過程中，爐后側的開裂多發(fā)生在升負荷（啟爐）過程中。這就是以上幾次事故發(fā)生的原因所在。

3 中隔墻下聯(lián)箱管子及管座產(chǎn)生裂紋的處理措施

經(jīng)過查閱圖紙和現(xiàn)場檢查，包覆過熱器下聯(lián)箱下部膨脹沒發(fā)現(xiàn)問題，而且根據(jù)上述分析，由于脹差客觀存在，并且沒有很好的方法來解決，所以要解決管座及管子受力拉裂的問題，必須對中隔墻下聯(lián)箱所連接的管子進行改造?？梢詮膬蓚€途徑著手解決，一是增加爐管的柔性，第二是增加管座根部的剛度和強度，減少該處的應力集中。具體方法如下：

（1）將中隔墻兩端第1、2根管子更換為彎曲半徑比原設計管子大的新管，且中隔墻下聯(lián)箱兩端第3、4根直管更換為彎管后能夠吸收膨脹應力，此后在著色檢查中未發(fā)現(xiàn)缺陷，所以對兩側第5至17根子（拉裂的11根管子加上擴大性預防2根，共13根）做類似處理，由直管更換為彎管，其中管子長度為：下焊口以把裂紋消除為準，上焊口則與第3、4根管子上焊口平齊，管子彎曲半徑稍比第3、4彎管的彎曲半徑大則可。更換彎管后，管與管間鰭片不作恢復。

（2）中隔墻下聯(lián)箱直管段下部全部用鰭片連為一整體，若部分管子受力膨脹不暢，會對周邊管子造成拉擠，破壞其力平衡，進而拉裂管子。為了解決這個問題，可以將原中隔墻下聯(lián)箱管全部鰭片向上割開150mm左右，頂部鉆一ф8小孔，作為應力釋放槽（如圖4）。這樣可以增加爐管的柔性，有助于中間段的變形，從而減少熱脹推力，減少熱脹推力對管座產(chǎn)生的彎曲應力。

（3）為增加管座根部的剛度和強度，可對中隔墻下聯(lián)箱兩側第1、2、3、4根管更換的新管，在其管座位置前后段加焊拉筋板，拉筋板現(xiàn)場使用σ=5mm，Q235-A鐵板制作，拉筋板與管子及聯(lián)箱接觸段要求滿焊。

（4）在機組停運后，不要過早打開聯(lián)箱附近的入孔，以防止聯(lián)箱與管子因受冷而快速冷縮，如果冷縮速率方向不均，就會造成管子在管座焊縫處因熱拉力影響而拉裂，所以停爐后要加強監(jiān)測，做好預防性維護。

4 結束語

包覆過熱器中隔墻下聯(lián)箱管子及管座存在膨脹受阻是因為中隔墻管屏與側包覆墻管存在較大溫差導致的脹差，該脹差在幾何結構最不連續(xù)處即應力最集中的管座處產(chǎn)生很大的彎曲應力，進而使管座拉裂或管子拉裂。通過增大管子的彎曲半徑、改造管屏的鰭片來增強管子的柔性，釋放熱脹推力對管座產(chǎn)生的彎曲應力。加焊拉筋板，增加管座根部的剛度和強度，使管座不易被拉裂。做好保護措施及檢測，有效的解決了過熱器中隔墻下聯(lián)箱管子及管座因應力受阻而拉裂的問題。

參考文獻

[1]1036t/h循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)品說明書[R].2010：5-12.

[2]段文龍.廣東省云浮發(fā)電廠金屬監(jiān)督技術分析報告[R].2011：2-5.

作者簡介：彭國栓（1985-），男，廣東粵電云河發(fā)電有限公司，研究方向：鍋爐檢修。