高參數(shù)電站鍋爐主蒸汽熱電偶套管裂紋分析與防治

劉曉東

摘 要：文章著重介紹了火電廠600MW超超臨界機(jī)組鍋爐，在運(yùn)行超過30000小時后，主蒸汽管道上的熱電偶套管相繼出現(xiàn)了裂紋、泄漏，在研究了原始的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場的安裝情況后，給出了裂紋產(chǎn)生的原因和改進(jìn)、防治措施，也給其他電廠的類似問題的解決提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：超超臨界；鍋爐；熱電偶套管；裂紋；防治

中圖分類號：TK223.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0051-02

1 鍋爐概況

某火力發(fā)電廠2×600MW超超臨界燃煤機(jī)組鍋爐，是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司根據(jù)日本三菱重工業(yè)株式會社提供技術(shù)支持而設(shè)計(jì)、制造的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，采用П型布置、單爐膛、改進(jìn)型低NOX分級送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、墻式切園燃燒方式，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)、一次中間再熱。過熱蒸汽調(diào)溫方式以煤水比為主，同時設(shè)置三級噴水減溫器；再熱蒸汽主要采用尾部豎井分隔煙道調(diào)溫?fù)醢逭{(diào)溫，同時燃燒器的上下擺動對再熱蒸汽溫度也有一定的調(diào)節(jié)作用，在低溫再熱器入口管道上還設(shè)置有事故噴水減溫器。鍋爐采用平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)煤種為淮南煙煤。

2 問題描述

鍋爐主蒸汽管道設(shè)計(jì)布置在鍋爐大包標(biāo)高附近，從四級過熱器集箱出口的兩側(cè)接出并引向爐前，左右各一根，直徑為φ406*75，材質(zhì)為SA335-P92。每一根主蒸汽管道的水平管段在其徑向斷面12點(diǎn)鐘的位置、沿蒸汽流動的方向分別布置有3只間隔為500mm的蒸汽溫度套管，材質(zhì)為SA182-F316，與測量蒸汽溫度的熱電偶配套使用，設(shè)計(jì)壽命為25年，即與鍋爐本體等同。

但在機(jī)組運(yùn)行了約30000小時之后，在固定熱電偶的螺紋連接處相繼出現(xiàn)了兩例蒸汽泄漏事件，初步分析，是熱電偶套管某處出現(xiàn)裂紋或者斷裂，使得高溫、高壓的蒸汽從裂紋處泄漏至熱電偶所插入的腔室內(nèi)，并從螺紋連接的縫隙向外泄漏出來。

3 原因分析

現(xiàn)場取下了泄漏的熱電偶溫度套管，發(fā)現(xiàn)裂紋均發(fā)生在退刀槽根，詳細(xì)見原設(shè)計(jì)圖紙（見圖1）中的詳圖I中的R2.5所示部位。仔細(xì)研究了原熱電偶套管的設(shè)計(jì)圖紙、和實(shí)際的安裝情況，分析造成裂紋發(fā)生的原因如下：

3.1 退刀槽根部距熱電偶螺紋固定處壁厚余量不足

在圖紙上經(jīng)同等比例測量，詳圖I中的R2.5所示部位，即退刀槽根部至熱電偶螺紋固定處的最小距離為8.33mm，且存在著加工棱角，應(yīng)力較為集中，在設(shè)計(jì)強(qiáng)度余量較小的前提下、該處又是制造工件應(yīng)力最為集中的地方，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而隨機(jī)組運(yùn)行時間增加而使裂紋延展、貫穿、泄漏。

3.2 起支撐作用的3凸臺伸出管道內(nèi)部內(nèi)壁而未起支撐作用

鍋爐制造廠一般會將熱電偶套管作為一個通用件來設(shè)計(jì)，產(chǎn)品定型后一般不再因工程的不同而修改設(shè)計(jì)。但不同工程的鍋爐設(shè)計(jì)時主蒸汽管道壁厚會隨著設(shè)計(jì)參數(shù)的需要有所改變，尤其是管壁減薄設(shè)計(jì)會造成3個沿圓周方向均勻布置、起支撐作用的凸臺脫離出主蒸汽管道的內(nèi)壁，凸臺無法起到支撐套管的作用。鍋爐運(yùn)行時高速流動的蒸汽橫向沖刷熱電偶套管，造成其在管道內(nèi)的高頻振動，進(jìn)而使套管尾部退刀槽根部位置出現(xiàn)裂紋、乃至貫穿、泄漏。

3.3 起支撐作用的凸臺外緣與管孔內(nèi)壁存在間隙

圓周方向均勻布置的3個凸臺的外緣與主蒸汽管道開孔的公差配合是否合理也是造成裂紋能否產(chǎn)生的重要因素。查看圖紙和安裝的實(shí)際情況，原熱電偶套管的起支撐 作用的3個凸臺的外緣直徑設(shè)計(jì)偏小，與管道開孔內(nèi)徑裝配時是間隙配合，存在著間隙，橫向沖刷的蒸汽對套管產(chǎn)生了橫向力，使熱電偶套管尾部退刀槽的根部區(qū)域長期處于交變應(yīng)力變化的工作環(huán)境之中，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞裂紋、貫穿、泄漏。

4 防治措施

針對上述的分析，并與設(shè)計(jì)人員討論后，決定做如下設(shè)計(jì)修改。

4.1 增加詳圖I中退刀槽根部與熱電偶螺紋固定之間的壁厚設(shè)計(jì)

壁厚由原來的8.33mm增加至16mm，大大增加了該處設(shè)計(jì)強(qiáng)度余量。

4.2 改變支撐用凸臺的設(shè)計(jì)位置

為了適應(yīng)各種爐型的主蒸汽管道壁厚的差異，同時兼顧舊電廠的改造施工可能性，將支撐用凸臺（B-B剖視）設(shè)計(jì)靠近溫度套管的尾部，以保證在裝配中始終在管接頭直段以內(nèi)而不至于伸出主蒸汽管壁以外。

4.3 改凸臺外緣與管接頭內(nèi)壁為過盈配合

支撐凸臺的外緣直徑與管接頭的內(nèi)徑由間隙配合改成是過盈配合，從而消除了橫向沖刷的蒸汽對溫度套管的橫向力而產(chǎn)生的高頻振動，使得其尾部退刀槽處于一個更加穩(wěn)定、相對較好的一個工作環(huán)境。

4.4 安裝控制

在溫度套管與管接頭現(xiàn)場安裝時，要注意修磨支撐用凸臺的外緣直徑與管接頭內(nèi)徑是過盈配合：存在間隙勢必還會造成套管高頻振動，而直徑過大又無法正常安裝到位。

采用合格的工藝評定對焊縫進(jìn)行焊接、熱處理和檢測，保證焊縫的施工質(zhì)量。

5 質(zhì)量控制

溫度套管是高溫高壓電站鍋爐溫度取樣或者熱電偶安裝的典型設(shè)計(jì)，除了在設(shè)計(jì)、制造加工精度、安裝工藝上要完善以外，在日常中要做到如下幾點(diǎn)：

（1）機(jī)組在運(yùn)行過程中，盡量維持主汽壓力穩(wěn)定，在升降負(fù)荷及鍋爐吹灰時要注意調(diào)整壓力變化平穩(wěn)，防止發(fā)生大幅度波動。

（2）調(diào)整主、再熱汽溫時，首先對目前工況下主再熱汽溫可能的變化趨勢進(jìn)行分析，調(diào)整時有預(yù)調(diào)量，使汽溫變化平穩(wěn)，嚴(yán)禁發(fā)生超溫或低溫，嚴(yán)禁發(fā)生溫度大幅度擺動。

（3）每年機(jī)組大修，都要嚴(yán)格按照金屬監(jiān)督之規(guī)定，抽出一定比例對焊縫、退刀槽等做無損探傷或者PT檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

（4）在進(jìn)行管道閥門的操作時要緩慢，防止對管道產(chǎn)生水沖擊或汽沖擊。

（5）在四大管道溫度、壓力測點(diǎn)管座開裂飛出可能傷人的地方懸掛警示牌，巡檢時注意管道振動情況，發(fā)現(xiàn)有異常聲音時不得擅自檢查，應(yīng)通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，應(yīng)做好預(yù)防措施，或離開異常區(qū)域，通知相關(guān)專業(yè)人員檢查。

（6）在機(jī)組啟停時嚴(yán)格按照升溫升壓曲線操作，應(yīng)防止參數(shù)出現(xiàn)大幅度變化；在主蒸汽量小于10%時嚴(yán)禁使用降溫水。

6 結(jié)束語

我國已經(jīng)投運(yùn)的超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組有120多臺，大容量、高參數(shù)的機(jī)組的大量運(yùn)行已經(jīng)是當(dāng)今世界能源、環(huán)保等更高要求的發(fā)展趨勢。減少爐管泄漏、尤其是減少爐外管裂紋或蒸汽泄漏，是發(fā)電設(shè)備安裝、維護(hù)、管理一直追求的奮斗目標(biāo)。

通過對機(jī)組設(shè)備的日常維護(hù)、金屬監(jiān)督、臺賬管理，減少設(shè)備事故的發(fā)生，就要做好各個環(huán)節(jié)各個階段的監(jiān)督工作，保證機(jī)組設(shè)備的安全運(yùn)行。