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    超超臨界鍋爐化學取樣管管座失效分析及改進

    2021-03-17 01:33:20廖偉輝員盼鋒
    發(fā)電設備 2021年1期
    關鍵詞:管座根部材質

    廖偉輝, 員盼鋒

    (1. 廣東紅海灣發(fā)電有限公司, 廣東汕尾 516623; 2. 西安熱工研究院有限公司, 西安 710054)

    近年來,火電機組高溫高壓管的化學取樣管管座頻繁發(fā)生失效現(xiàn)象[1-3],造成高溫高壓蒸汽泄漏,使機組存在極大的安全風險?;痣姍C組管座失效的部位主要分布在鍋爐聯(lián)箱及高溫管道上,失效的原因主要有用錯材料、采用不合理的管座結構、膨脹管設計或安裝欠妥、內(nèi)壁積水形成熱疲勞裂紋、管座的應力腐蝕開裂、焊接工藝不當引起的開裂等,采用的措施主要有采用加強型管座、采用柔性結構、改善小管的補償能力、加裝保護套管、加強對管座的定期檢驗[4]。承壓部件出現(xiàn)裂紋泄漏的現(xiàn)象在火電機組上比較普遍,并且一旦發(fā)生,危險系數(shù)高。

    某電廠660 MW超超臨界機組化學取樣管與管座焊接部位多次發(fā)生斷裂,嚴重影響機組安全生產(chǎn)。筆者針對該機組管座失效問題開展分析研究,并提出改進措施。

    1 問題簡介

    某化學取樣管設置于鍋爐主蒸汽出口處,用于在線監(jiān)測主蒸汽品質。2011年機組投產(chǎn)至今,化學取樣管與管座的焊接部位多次發(fā)生斷裂,造成蒸汽泄漏。經(jīng)統(tǒng)計,同類型管座均在運行7萬h左右時出現(xiàn)了管座焊縫四周存在環(huán)向裂紋的問題(見圖1)。

    圖1 管座焊縫四周的環(huán)向裂紋

    管座的安裝示意圖見圖2、結構圖見圖3。化學取樣管由上下兩段焊接,上段與出口管焊接,下段插入主蒸汽管道(外徑為609.2 mm、壁厚為100 mm)內(nèi),主蒸汽的額定壓力為25.4 MPa、額定溫度為571 ℃(文中數(shù)值均為額定工況下的數(shù)值)。

    圖2 管座安裝示意圖

    圖3 管座結構圖

    主蒸汽管道在X、Y、Z方向上的膨脹量分別為23 mm、152 mm、31.2 mm(鍋爐說明書中的設計值)。管座隨主蒸汽管道一起膨脹;化學取樣管上段焊接出口管的第一個支架采用抱箍固定。

    2 失效分析

    2.1 宏觀結構分析

    管座結構[5]存在的問題有:(1)3條焊縫重合,易造成應力疊加;(2)管座-化學取樣管焊縫的焊接方式不合理,采用了類似插入焊的方式,容易使焊縫根部出現(xiàn)未焊透的缺陷,且易存在應力集中區(qū)域。

    2.2 受力分析

    針對管座結構存在的應力疊加且集中的問題,開展受力分析。以化學取樣管為研究對象,在工作狀態(tài)下,化學取樣管受到主蒸汽管道內(nèi)部蒸汽壓力產(chǎn)生的應力、汽流沖刷所產(chǎn)生的沖擊應力及管道膨脹所產(chǎn)生的約束應力[6]。

    內(nèi)部蒸汽壓力產(chǎn)生的應力計算方法參考GB 50764—2012 《電廠動力管道設計規(guī)范》,受蒸汽壓力、壁厚等因素影響,為35 MPa。

    沖擊力與蒸汽流速、密度及受力面積相關,其計算公式為:

    F=p·S

    (1)

    p=0.5·ρ·v2

    式中:F為化學取樣管受汽流沖刷所產(chǎn)生的沖擊力,kN;p為蒸汽壓力,kN/m2;S為受力面積,m2;ρ為蒸汽密度,kg/m3;v為蒸汽流速,m/s。

    計算可得化學取樣管受汽流沖刷所產(chǎn)生的沖擊力為363 kN,以此為邊界條件,利用SOLIDWORKS軟件建模分析,得到化學取樣管與管座的沖擊應力分布見圖4(屈服應力為1.72×108N/m2)。

    圖4 化學取樣管與管座的沖擊應力分布

    由圖4可得:化學取樣管與管座焊接根部的沖擊應力最大,高達387 MPa(1 MPa=106N/m2)。蒸汽管道內(nèi)的蒸汽流速隨負荷不斷變化,導致根部應力不斷變化,使化學取樣管-管座焊縫處易發(fā)生疲勞失效。

    管道膨脹所產(chǎn)生的約束應力與管道固定點的移動方向、位移、管道規(guī)格及材質相關。利用SOLIDWORKS軟件建模分析,獲得化學取樣管受管道膨脹所產(chǎn)生的約束應力分布見圖5(屈服應力為6.204×108N/m2),并計算出化學取樣管受管道膨脹所產(chǎn)生的約束應力約為40 MPa。

    圖5 化學取樣管受管道膨脹所產(chǎn)生的約束應力分布

    2.3 硬度及材質檢測

    采用HT-1000A硬度計、DE2000光譜儀對化學取樣管、管座及焊縫進行硬度和材質檢測,檢測結果見表1。

    表1 硬度和材質的檢測結果

    由表1可知:主蒸汽管和管座材質及焊絲的選擇符合設計要求,但在管座-化學取樣管焊縫及化學取樣管上段-下段焊縫處采用Ni基焊絲,會使硬度明顯下降,造成焊縫接口處機械強度降低。

    2.4 斷面分析

    剖開管座進行斷面檢查,裂紋剖面見圖6。由圖6可見:在管座-化學取樣管焊縫處,根部存在未焊透、熱影響區(qū)存在未融合的現(xiàn)象。從裂紋形貌分析,裂紋從根部開始,從內(nèi)往外逐漸向未融合的薄弱區(qū)域發(fā)展。

    圖6 裂紋剖面

    2.5 失效原因

    分析管座失效原因為:

    (1) 焊接區(qū)同時存在3種焊接材料,導致焊縫根部未焊透,焊接熱影響區(qū)域存在未融合等原始缺陷。

    (2) 設計不合理導致3條焊縫重合,焊接過程中存在應力疊加。

    (3) 焊縫根部運行中受汽流沖刷所產(chǎn)生的交變沖擊應力作用,原始缺陷沿著未融合的區(qū)域從內(nèi)往外擴展,直至管座裂開泄漏。

    3 改進方案

    根據(jù)管座失效原因分析,提出了管座改進結構(見圖7)以替代原結構,其主要特點有:

    (1) 焊縫采用非重合設計,防止應力疊加。

    (2) 改進后的結構需要確保根部可焊透且焊縫平滑,防止焊縫應力集中。

    (3) 改進后的管座采用化學取樣管的同種材質,并用同種焊絲進行焊接。

    (4) 經(jīng)核算,管座改進結構滿足強度要求。

    圖7 管座改進結構

    4 結語

    (1) 管座失效的主要原因是3條焊縫重合造成應力疊加,以及3種焊接材料導致管座根部存在未焊透、未融合等原始缺陷。

    (2) 提出管座的改進結構以替代原管座,改進后的管座與化學取樣管采用同種材質,并用同種進行焊絲焊接,有效解決了管座失效的問題。

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