某鍋爐側(cè)墻下集箱管座失效分析

謝航云

(國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京210046)

某鍋爐側(cè)墻下集箱管座失效分析

謝航云

(國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京210046)

結(jié)合集箱管座角焊縫的受力特征，分析鍋爐異常工況和管子泄漏后振動對集箱系統(tǒng)受力狀態(tài)的影響，認(rèn)為本次集箱管座的失效的主要原因是機組負(fù)荷波動較大，建議調(diào)整集箱系統(tǒng)受力狀態(tài)，控制負(fù)荷波動并加強相關(guān)部位的檢測。

鍋爐集箱;管座;失效分析;異常工況

1 概況

某2號爐為SG－1913/25.4－M966型超臨界參數(shù)、變壓運行、螺旋管圈、單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型、露天布置的燃煤直流爐，其主要參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

2號爐于2007年7月投入商業(yè)運營，至2014年1月鍋爐后煙井側(cè)墻下集箱管座(下稱管座)處泄漏，累計運行約41772h，啟停44次。

2 泄漏基本情況

后煙井側(cè)墻下集箱后端管座角焊縫泄漏，集箱左、右側(cè)向下第1～14號共28個管座角焊縫的管座側(cè)熔合區(qū)出現(xiàn)裂紋。裂紋均發(fā)生在角焊縫向火側(cè)上部，中心點基本在時鐘12點位置;裂紋深度和長度自爐前向爐后逐步增加，最大裂紋長度達到二分之一管徑;靠爐后端右側(cè)后數(shù)第1、3根管座角焊縫處裂紋已貫穿管壁。

3 原因分析

3.1 第一次泄漏原因分析

依據(jù)泄漏和裂紋的數(shù)量、部位長度推斷，裂紋的性質(zhì)是低周疲勞，非因焊接缺陷、機械損傷或管壁減薄等產(chǎn)生的管座焊接接頭失效。失效的原因是集箱系統(tǒng)的管座角焊縫處在鍋爐運行過程中的應(yīng)力集中水平較高，且應(yīng)力循環(huán)達到一定次數(shù)。

(1)管座角焊縫的受力特征

聯(lián)箱相對管子、管排等結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。集箱管座角焊縫是集箱和受熱面管子中的應(yīng)力集中區(qū)。在熱力狀態(tài)變化時，管座角焊縫處的應(yīng)力也隨之變化;在機組啟停、工況變動達到一定次數(shù)，管座角焊縫處易產(chǎn)生低周疲勞，在其管座側(cè)熔合區(qū)產(chǎn)生斷裂失效。

(2)集箱系統(tǒng)的受力狀態(tài)

圖1為后煙井延伸側(cè)墻下集箱、連接管子及其相關(guān)托架形成的“杠桿”系統(tǒng)的布置側(cè)面示意。

三通給集箱向下拉力，作用在集箱A端;后水冷壁懸吊管和集箱托架相連，給集箱向上支撐力，作用在C處;后煙井前墻和管子托架相連，給管子的拘束，通過管子作用到集箱C至B段。集箱C至B段的管座角焊縫上部產(chǎn)生拉應(yīng)力。集箱托架在D處與后煙井前墻相連。集箱托架在集箱兩側(cè)各868mm處與集箱輻射出的管子相連。在這一“杠桿”系統(tǒng)中，集箱規(guī)格為Φ406.4×74.61，剛性較大。

圖1 后拱管子托架布置

如果后水冷壁懸吊管溫度相對后煙井前墻管子溫度偏低，膨脹量相對較小，則集箱托架左端相對有向上位移，集箱托架給集箱向上作用力。此時，集箱B端位移較大。管子的規(guī)格相同，剛性也相同，從角焊縫至管子托架固定位置的距離相同，因此，從集箱托架向后，即從C點至集箱B端，管座角焊縫的應(yīng)力水平逐漸增大，角焊縫處的疲勞程度也逐漸增大，若疲勞至出現(xiàn)裂紋，裂紋長度也逐漸增大。

集箱托架給予集箱的作用力基本是向上的，后煙井前墻和管子托架相連，給予管子的作用力也在垂直方向，故管座角焊縫的應(yīng)力最大點出現(xiàn)在時鐘12點的位置，裂紋的中心點也在此位置。

在任何機組的運行過程中，熱力系統(tǒng)的熱力平衡都是動態(tài)的、相對的，不平衡總是絕對的。因此，集箱托架將在一定條件下，對集箱產(chǎn)生向上的支撐作用，使集箱管座角焊縫處產(chǎn)生拉應(yīng)力。這一作用積累到一定程度，角焊縫處便產(chǎn)生低周疲勞失效。

查閱機組SIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，2013年2號機組A修后啟動期間，運行工況存在頻繁大幅變化的現(xiàn)象。

后水懸吊管壁溫與側(cè)包出口蒸汽溫度間發(fā)生多次交替變化。側(cè)包出口蒸汽溫度有時高于后水懸吊管壁溫120℃左右，后水懸吊管壁溫有時又高于側(cè)包出口蒸汽溫度110℃左右，如此反復(fù)波動6次。期間后水懸吊管壁溫變化速率最大為23.5℃/min。運行正常后，后水懸吊管壁溫424℃左右，側(cè)包出口蒸汽溫度414℃左右，兩者相差10℃左右。

上述運行工況的異常變化，對集箱管座的角焊縫處的失效，起到了一定作用。

(3)管子泄漏后引起振動

管子泄漏或爆破后，管子振動或引起集箱振動。集箱振動，加速管座角焊縫處的疲勞和失效。

(4)安裝因素

如鍋爐安裝過程中，三通焊縫強力對口，或集箱托架相對高度過高、水冷壁懸吊管懸吊力量偏大、后煙井前墻懸吊力量偏小等，也可導(dǎo)致“杠桿”作用增大，導(dǎo)致從集箱前端至后端，管座角焊縫處應(yīng)力集中水平逐漸增大。

(5)綜合分析

從集箱管座自身弱點和集箱系統(tǒng)的“杠桿”作用等整體結(jié)構(gòu)方面來說，其中“杠桿”作用為本次后煙井側(cè)墻下集箱角焊縫處失效的主要原因。而造成“杠桿”作用較大的原因，是工況波動幅度大、波動次數(shù)多。另外，管子泄漏后引起的振動加快了管座角焊縫的疲勞和失效。

4 結(jié)語

(1)鍋爐原設(shè)計的結(jié)構(gòu)對運行參數(shù)變動適應(yīng)范圍小，這一問題已很難改變。

(2)集箱管座處已經(jīng)疲勞，應(yīng)更換集箱，并按原設(shè)計施工。更換集箱時，設(shè)法避免三通焊接時強力對口;集箱托架安裝時，應(yīng)輕微接觸，不宜對集箱施加較大支撐力，以避免前述“杠桿”作用。

(3)控制啟、停爐速度，控制較低的機組運行參數(shù)變化率。做好集箱管座角焊縫、三通連接管道兩端焊縫、后水冷壁懸吊管焊縫和后煙井前墻管子焊縫失效預(yù)防的檢測。

［1］房吉國.黃島電廠3號爐集箱管座角焊縫的斷裂分析［J］.山東電力技術(shù)，2007(3):29－32.

［2］林水榮.嵩嶼電廠1號爐集箱管座角焊縫泄漏原因及處理措施［J］.電力建設(shè)，1994(3):48－49.

［3］朱愉潔，劉偉.螺旋紐帶在凝汽器中應(yīng)用情況和問題分析［J］.電力科技與環(huán)保，2013，29(4):60－62.

Failure analysis of lower header sockets under a boiler side wall

Combined with the fillet weld stress characteristics of the header，the influence of vibration of boiler tube leakage and abnormal conditions on the stress state of header system was analysised.The results show that the main cause of the socket failure is the unit load fluctuations.It proposed to adjust the stress state of header system，control load fluctuation and strengthen the detection of the relevant position.

boiler header;socket;failure analysis;abnormal condition

TK223

B

1674－8069(2016)06－059－02

2016-07-10;

2016-08-16

謝航云(1965-)，男，山東菏澤人，高級工程師，國際焊接工程師，主要從事電站金屬焊接、檢驗檢測和金屬技術(shù)監(jiān)督工作。E－mail:xiehangyun666@163.com