鍋爐高過出口管道焊接接頭邊緣偏差超標(biāo)分析

張鳳安,楊見森

(安徽省特種設(shè)備檢測院,安徽 合肥 230051)

1 前 言

高過出口管道屬于主蒸汽管道的一部分,若發(fā)生事故將產(chǎn)生重大損失,甚者會造成人身傷亡[1]。然而,制造和安裝過程如果質(zhì)量管控不嚴(yán),容易導(dǎo)致管道存在超標(biāo)缺陷,直接影響機(jī)組安全運(yùn)行[2]。因此,高過出口管道也是鍋爐定期檢驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注的高溫部件之一[3]。

某電廠2#鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、循環(huán)流化床鍋爐。該鍋爐依據(jù)ASME BPV 第I卷《動力鍋爐》設(shè)計(jì)、制造,鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 025 t/h,過熱器蒸汽出口壓力17.4 MPa,出口溫度540 ℃,設(shè)計(jì)燃料為矸石、煤泥和中煤混合物。該臺鍋爐于2009年6月投產(chǎn),累計(jì)運(yùn)行約8.3萬h。

2022年4月,檢驗(yàn)人員在對該臺鍋爐開展內(nèi)部檢驗(yàn)時,發(fā)現(xiàn)高過出口集箱過渡管與主蒸汽管相連的焊接接頭外觀異常(見圖1),接頭左右兩側(cè)管道外徑分別為406和332 mm,兩側(cè)管道壁厚分別為52.7～56.0 mm和 49.0～59.7 mm,且右側(cè)彎頭靠近焊縫處內(nèi)壁坡口存在未焊滿,實(shí)測壁厚僅為28.0 mm。

為了弄清接頭外觀異常原因,檢驗(yàn)人員現(xiàn)場管道材質(zhì)鋼印,發(fā)現(xiàn)該接頭兩側(cè)管段標(biāo)記的材質(zhì)鋼印為SA-335P91,利用光譜儀對接頭兩側(cè)母材進(jìn)行了材質(zhì)分析,元素含量符合SA-335P91要求。

圖1 高過出口管道焊接接頭形貌及壁厚值

2 原因分析

2.1 設(shè)計(jì)資料核查

查閱鍋爐設(shè)計(jì)圖紙(見圖2),發(fā)現(xiàn)高過出口集箱的設(shè)計(jì)材質(zhì)為SA-335P91,規(guī)格為Φ406 mm×52 mm。設(shè)計(jì)人員為了保證集箱與規(guī)格為ID273×30的主蒸汽彎頭有效對接,出口集箱兩端分別設(shè)計(jì)有406 mm×332 mm的過渡頭(材質(zhì):SA-336F91,過渡頭兩側(cè)設(shè)計(jì)壁厚分別52 mm和30 mm)?，F(xiàn)場的過渡管道的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和壁厚與圖紙均不一致。

圖2 高過出口集箱過渡頭

2.2 材料代用情況

雖然SA-335P91與SA-336F91的制造方法不同,但它們的最小抗拉強(qiáng)度、最小屈服強(qiáng)度和550 ℃對應(yīng)的最大允許使用應(yīng)力相同,除化學(xué)成分了P、S稍有差異外,其余元素也一致[4]。按照2007版ASME BPV II D分類,兩種材料同屬于P-NO.5B,Group 2,可以相互替代。核查鍋爐的質(zhì)量證明書時,未見該過渡管道材料證明和代用手續(xù),制造廠材料控制程序執(zhí)行不夠嚴(yán)格。

2.3 設(shè)計(jì)變更情況

鍋爐出廠資料里未見有關(guān)設(shè)計(jì)變更資料。高過出口集箱規(guī)格為Φ406 mm×52 mm,主蒸汽管道規(guī)格為ID273×30,為了使兩個部件能夠順利對接,在高過出口集箱兩端設(shè)計(jì)406 mm×332 mm的過渡頭也是合理的。然而,制造廠在裝配高過出口集箱時,沒有按照設(shè)計(jì)圖紙要求選配過渡頭,而是與Φ406 mm×52 mm的過渡管道相焊。這種結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)嚴(yán)重違反設(shè)計(jì)圖紙要求。

2.4 邊緣偏差值

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測壁厚以及接頭兩側(cè)管道外徑,畫出該接頭的剖面示意圖,從圖3可以看出,由于兩側(cè)管道外徑相差過大,現(xiàn)場對接時未采用堆焊或削薄過渡的方式,導(dǎo)致過渡管道與彎頭有效搭接厚度僅為14.15 mm,過渡管道和彎頭的中心線偏差Δ為26.35mm。

ASME BPV第I卷《動力鍋爐》在PW-33里規(guī)定了厚度t>50 mm的筒節(jié),其環(huán)向?qū)咏宇^邊緣偏差不得超過t/8或19 mm的較小值(t為較薄筒節(jié)的公稱厚度)[5]。該對接接頭筒節(jié)按壁厚49 mm計(jì)算,最大允許偏差僅為6.125 mm。DL/T 869《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》對焊件組對時的邊緣偏差(錯口值)也做了明確規(guī)定:

(1)對接單面焊的局部錯口值不得超過壁厚的10%,且不大于1 mm;

(2)對接雙面焊的局部錯口值不得超過焊件厚度的10%,且不大于3 mm[6]。

如圖3所示,高過出口管道對接接頭的內(nèi)壁邊緣偏差值為13.85 mm,外壁邊緣偏差達(dá)到了37.85 mm,遠(yuǎn)超過國內(nèi)外鍋爐制造、安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

圖3 高過出口管道接頭剖面示意圖

3 接頭應(yīng)力模擬分析

利用fluent模擬軟件建立1∶1尺寸的出口管道模型,生成的網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格

選擇fluent軟件中的K-E雙方程模型,采用雙精度求解器求解,選取“能量方程”。將過熱蒸汽密度、黏度等參數(shù)導(dǎo)入流體材料庫,設(shè)置“流體邊界條件”“入口蒸汽速度”和“蒸汽溫度”,將彎頭出口側(cè)設(shè)置為壓力出口,求解后流體壓力分布云圖如圖5所示,可見蒸汽壓力在集箱出口側(cè)最大,經(jīng)過對接接頭后迅速減小,在彎頭背弧面?zhèn)扔钟芯植吭龃蟆?/p>

圖5 管道蒸汽壓力分布云圖

將fluent軟件計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計(jì)算模塊中,輸入管道工作壓力,得到流固耦合應(yīng)力分布云圖如圖6、圖7所示。從圖6、圖7中可以看出,管道的應(yīng)力在截面突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中,最大值達(dá)到290 MPa左右。

圖6 管道流固耦合應(yīng)力分布云

圖7 管道流固耦合應(yīng)力分布云

4 處理方法

邊緣偏差超標(biāo)會使管道結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生突變, 造成形狀不連續(xù), 在接頭處引起較強(qiáng)的應(yīng)力集中和彎曲應(yīng)力, 明顯地降低焊接接頭的強(qiáng)度和韌性[7]。當(dāng)邊緣偏差超過一定值時,即使應(yīng)力值在屈服強(qiáng)度允許范圍內(nèi),但焊接接頭的疲勞強(qiáng)度會大幅下降,部件的使用壽命也會大幅降低[8]。目前,國內(nèi)外鍋爐壓力容器規(guī)范對不等厚對接都做出了明確的規(guī)定:當(dāng)兩側(cè)焊件厚度差超過一定值時,需要把厚件按一定斜率削薄或者將薄件按一定斜率堆焊,以形成等厚對接接頭。削薄等厚對接可以有效降低應(yīng)力集中,此時應(yīng)力集中系數(shù)的公式為[9]

式中:Kt為應(yīng)力集中系數(shù);α為過渡角。

從式(1)中可以看出,坡口斜率大小影響著接頭處的應(yīng)力集中系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)通常推薦的斜率為1∶3～1∶5。相應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)Kt穩(wěn)定在1.03～1.07。可見,更換邊緣偏差超標(biāo)的對接接頭,采用經(jīng)過削薄處理具有一定斜率的等厚對接接頭,能夠有效降低焊接接頭的應(yīng)力集中狀況,保障部件安全運(yùn)行。

此次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的焊接接頭邊緣偏差超標(biāo)問題,使用單位也及時向鍋爐制造單位進(jìn)行了反饋。制造單位回函確認(rèn)了高過出口集箱過渡管道的實(shí)際幾何形狀與實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙不符,采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中問題,鍋爐長期運(yùn)行存在事故隱患,建議盡快更換。

5 防控措施

鍋爐在制造安裝過程中,焊接接頭難免會產(chǎn)生一些幾何缺陷,如邊緣偏差(錯口)、咬邊等。這些不規(guī)則的缺陷會導(dǎo)致接頭截面突變、材料失去了均勻性而引起的應(yīng)力集中,它們也是焊接接頭產(chǎn)生裂紋甚至疲勞破壞的重要原因[10]。針對問題產(chǎn)生的原因,建議從以下幾個方面做好質(zhì)量控制:

1)嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)變更程序

高過出口管道接頭邊緣偏差超標(biāo),根本原因在于制造單位在裝配過熱器出口集箱時未能嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙選配過渡頭。同時,制造單位最終將過渡頭換成規(guī)格為Φ406 mm×52 mm的過渡管道時,也未能嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)變更和材料代用程序,造成現(xiàn)場實(shí)際部件、出廠資料與設(shè)計(jì)存在多處不符。

因此,鍋爐制造單位在制造環(huán)節(jié)時需嚴(yán)格按照鍋爐安全技術(shù)規(guī)范相關(guān)要求,認(rèn)真仔細(xì)核對部件實(shí)物、檢查材料鋼印和規(guī)格是否滿足設(shè)計(jì)要求。遇到材料代用情況時,須嚴(yán)格履行審批手續(xù),同時將有關(guān)見證材料收錄在出廠資料里,保證后續(xù)各環(huán)節(jié)能夠查看到設(shè)計(jì)變更和材料代用情況。

2)加強(qiáng)焊前設(shè)備檢查和不等厚對接工藝的編制

安裝單位在現(xiàn)場組對部件時,未能及時發(fā)現(xiàn)并妥善處理不等厚對接,也是造成該缺陷保留至今的直接原因。鍋爐安裝作為制造的延續(xù),在現(xiàn)場組對過程如果發(fā)現(xiàn)部件異常時,可參照有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,采取1∶3～1∶5的斜率削薄或堆焊方式提前編制好焊接、熱處理、無損檢測工藝文件,在安裝環(huán)節(jié)就能妥善處理好不等厚對接問題。

3)加強(qiáng)焊接質(zhì)量檢查

正常情況下,焊工會按照工藝文件進(jìn)行施焊,焊接完成后,焊工先自行進(jìn)行外觀檢查。隨后,項(xiàng)目部質(zhì)檢員也要檢查焊接接頭,外觀合格后才會開具無損檢測和理化檢測委托單。無損檢測人員在檢測前,也要檢查接頭外觀是否影響正式檢測。

然而,該臺鍋爐高過出口管道對接接頭邊緣偏差問題在投運(yùn)近13年后才被發(fā)現(xiàn),說明安裝過程原有的焊接質(zhì)量控制程序失效,各環(huán)節(jié)的焊接質(zhì)量檢查工作也沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用?？梢?鍋爐安裝各環(huán)節(jié)的焊接質(zhì)量檢查不能簡單流于形式,相關(guān)責(zé)任人員應(yīng)切實(shí)履行責(zé)任,必須嚴(yán)格按照程序文件要求,逐級認(rèn)真開展,杜絕邊緣偏差等超標(biāo)缺陷流轉(zhuǎn)到使用環(huán)節(jié),給鍋爐使用帶來不必要的安全隱患。