鍋爐汽包下降管焊縫區(qū)裂紋問題綜合研究

李 俊，顧沛淵，段 鵬，谷樹超，王 松

(1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090；2.上海吳涇發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200241)

在鍋爐啟動(dòng)停機(jī)過程中，汽包內(nèi)部壓力溫度場異常復(fù)雜，并且隨著風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電的廣泛發(fā)展，為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定，火力發(fā)電經(jīng)常參與調(diào)峰，這使得汽包長期處于急劇的變負(fù)荷工況中。

頻繁的啟停和變負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致汽包產(chǎn)生頻繁交變的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，使汽包材料產(chǎn)生疲勞損傷，縮短其使用壽命[1-2]。大量文獻(xiàn)[3-5]分析表明，汽包下降管內(nèi)轉(zhuǎn)角點(diǎn)的應(yīng)力通常最大，而將研究重點(diǎn)集中在內(nèi)轉(zhuǎn)角點(diǎn)處，但大量案例[6]表明下降管焊縫區(qū)是疲勞裂紋多發(fā)區(qū)。汽包下降管與汽包筒體是通過焊接連接的，受焊接工藝的影響，會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力[7-8]。不合適的焊接工藝往往會(huì)產(chǎn)生較大的焊縫殘余應(yīng)力，與機(jī)組運(yùn)行過程中的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加后，合應(yīng)力能接近甚至超過材料的屈服強(qiáng)度，這是導(dǎo)致其產(chǎn)生裂紋的一個(gè)重要因素。

本文針對(duì)上海某電廠汽包下降管焊縫區(qū)的裂紋問題，采用有限元數(shù)值模擬和殘余應(yīng)力現(xiàn)場測試對(duì)汽包接管焊接區(qū)域的綜合強(qiáng)度進(jìn)行研究，分析焊縫區(qū)裂紋產(chǎn)生的原因，并給出其安全性能評(píng)估。

1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為上海某燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的高壓汽包，由筒體、封頭、下降管、上升管、導(dǎo)氣管、給水管等組成，通過兩個(gè)鋼支架支撐，內(nèi)部承受高溫高壓汽水的作用，蒸汽出口設(shè)計(jì)壓力12.846 MPa。汽包筒體材質(zhì)為BHW35，支架材質(zhì)為Q235-A。

汽包基本幾何尺寸為：筒體內(nèi)徑D=2 100 mm，壁厚90 mm，筒身長L=14 500 mm，如圖1所示。

汽包在封頭側(cè)配置有兩根集中下降管，采用插入式焊接方式連接，其剖面圖如圖2所示。

圖1 汽包幾何圖

圖2 下降管剖面圖

該電廠多個(gè)機(jī)組高壓汽包下降管焊縫區(qū)相繼出現(xiàn)裂紋，部分裂紋深度達(dá)12 mm，長達(dá)70 mm。下降管焊縫區(qū)存在消缺補(bǔ)焊區(qū)和未補(bǔ)焊區(qū)，未補(bǔ)焊區(qū)中有未經(jīng)熱處理區(qū)、經(jīng)過一次熱處理區(qū)和經(jīng)過兩次熱處理區(qū)。

2 研究方法

采用有限元軟件ANSYS模擬計(jì)算機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行過程中，汽包下降管的應(yīng)力狀態(tài)；采用盲孔法現(xiàn)場測試下降管焊縫區(qū)不同區(qū)域的殘余應(yīng)力，將兩者結(jié)果疊加處理后獲得其總應(yīng)力，再進(jìn)行綜合分析。

為了便于數(shù)值模擬，對(duì)有限元計(jì)算模型進(jìn)行適當(dāng)簡化：(1)忽略加藥管等較小的開孔結(jié)構(gòu)，將整個(gè)模型近似為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取其四分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬；(2)忽略其他焊縫結(jié)構(gòu)，只建立下降管的焊縫；(3)將封頭簡化為密封半球體。整個(gè)汽包的計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 汽包計(jì)算網(wǎng)格模型

汽包數(shù)值模擬的邊界條件比較復(fù)雜，具體如下。

(1)位移邊界條件：兩個(gè)對(duì)稱面上設(shè)置對(duì)稱邊界；汽包Y向(豎直方向)位移由鋼支架約束，將支架底面Y向位移設(shè)為零。

(2)內(nèi)壓邊界條件：汽包承受高壓汽水的作用，需在內(nèi)壁施加壓力邊界條件，將運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測的內(nèi)壁壓力數(shù)據(jù)作為內(nèi)壓邊界條件進(jìn)行施加，見圖4。

(3)溫度邊界條件：汽包內(nèi)壁受高溫高壓的蒸汽和水的作用，外壁由保溫石棉進(jìn)行隔熱。將運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測的汽包內(nèi)壁溫度，作為其內(nèi)壁溫度邊界條件進(jìn)行施加；對(duì)于汽包外壁，保守情況是采用絕熱邊界條件，本文直接施加實(shí)時(shí)監(jiān)測的汽包外壁溫度，其中up in、up out、low in、low out分別表示汽包上部內(nèi)壁、上部外壁、下部內(nèi)壁、下部外壁。

圖4 汽包內(nèi)壓及溫度計(jì)算參數(shù)

(4)截?cái)噙吔鐥l件：由于對(duì)下降管、上升管等接管都做了截?cái)嗵幚?，因此在截?cái)嗝嫔鲜┘拥刃Ю瓚?yīng)力來代替截面上原有的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的大小可計(jì)算為

(1)

式中Pi——接管截面拉應(yīng)力；P——汽包內(nèi)壓；ri——接管內(nèi)徑；Ri——接管外徑。

(5)重力邊界條件：汽包自重很大，對(duì)其結(jié)構(gòu)應(yīng)力有一定的影響，不應(yīng)忽略。

3 研究結(jié)果

3.1 ANSYS有限元計(jì)算結(jié)果

汽包最大應(yīng)力時(shí)刻發(fā)生在t=32 640 s時(shí)(壓力最大時(shí))，其Von mises應(yīng)力(第四強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力)分布情況如圖5(A)所示，其中應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域主要分布在下降管內(nèi)轉(zhuǎn)角、上升管內(nèi)轉(zhuǎn)角和導(dǎo)汽管內(nèi)轉(zhuǎn)角處。

表1 下降管角焊縫殘余應(yīng)力測試結(jié)果

這是由于汽包筒體開口位置造成的應(yīng)力集中所致，為應(yīng)力集中的危險(xiǎn)點(diǎn)，在鍋爐啟停過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。汽包最大應(yīng)力位置在下降管內(nèi)轉(zhuǎn)角處，最大值為378.8 MPa。

汽包下降管接頭與汽包筒體是通過焊接連接的，焊接產(chǎn)生的焊縫區(qū)材料性能會(huì)有所改變，同時(shí)焊接還會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，加之汽包內(nèi)高溫高壓環(huán)境，此處容易產(chǎn)生裂紋。因此，需要對(duì)此處的應(yīng)力情況進(jìn)行具體深入的分析。

通過有限元分析，下降管焊縫區(qū)的最大應(yīng)力發(fā)生在t=46 980 s時(shí)，其背面焊縫30°到60°區(qū)域的應(yīng)力比較大，屬于應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域，最大應(yīng)力為296.2 MPa出現(xiàn)在背面焊縫約380處，如圖5(b)所示。

3.2 焊縫殘余應(yīng)力測試結(jié)果

采用盲孔法測試汽包下降管焊縫殘余應(yīng)力，分別選取了未經(jīng)熱處理、經(jīng)過補(bǔ)焊但未熱處理、經(jīng)過一次熱處理和經(jīng)過兩次熱處理的焊縫區(qū)域進(jìn)行測試，最終測試結(jié)果如表1所示。

由表1中結(jié)果可知，經(jīng)歷兩次熱處理后，焊縫的殘余應(yīng)力水平大幅下降，環(huán)向殘余應(yīng)力基本消除，徑向殘余應(yīng)力已經(jīng)變?yōu)樨?fù)值；經(jīng)歷一次熱處理后，其環(huán)向殘余應(yīng)力略高，徑向殘余應(yīng)力基本消除；在補(bǔ)焊位置的焊縫環(huán)向和徑向殘余應(yīng)力的平均值分別高達(dá)144 MPa和123 MPa；未經(jīng)歷熱處理焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力最大，其環(huán)向殘余應(yīng)力和徑向殘余應(yīng)力平均值分別高達(dá)243.67 Mpa和243 MPa。

3.3 焊縫區(qū)綜合應(yīng)力分析結(jié)果

下降管焊縫區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，由運(yùn)行中的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力和焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力疊加組成；分析焊縫區(qū)的應(yīng)力強(qiáng)度，應(yīng)考慮三者的綜合作用。將ANSYS有限元分析得出的下降管焊縫區(qū)運(yùn)行的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力與應(yīng)力測試得出的焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行疊加，可得出其總應(yīng)力。

提取下降管焊縫區(qū)應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)，見圖5(b)數(shù)據(jù)，將其有限元計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果分別與未經(jīng)熱處理、經(jīng)過補(bǔ)焊但未熱處理、經(jīng)過一次熱處理和經(jīng)過兩次熱處理區(qū)域的測試平均殘余應(yīng)力進(jìn)行疊加，疊加過程忽略焊縫軸向殘余應(yīng)力和殘余切應(yīng)力。由文獻(xiàn)[11]中提供的主應(yīng)力計(jì)算公式，計(jì)算出疊加后焊縫區(qū)3個(gè)應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)的三個(gè)主應(yīng)力；再由式(2)和式(3)計(jì)算得出其第三和第四強(qiáng)度應(yīng)力，最終計(jì)算結(jié)果如表2所示。

σIII=σ1-σ3

(2)

(3)

4 結(jié)果討論與分析

該電廠運(yùn)行時(shí)，汽包最大壁溫可達(dá)350℃，根據(jù)《火電廠金屬材料手冊(cè)》[9]，對(duì)于板厚小于100 mm的BHW35鋼常溫下在350℃下保證的最低屈服點(diǎn)為333 MPa；根據(jù)鋼板入廠檢驗(yàn)試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其屈服強(qiáng)度在350℃時(shí)的最小值為385 MPa。下降管焊縫區(qū)應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度對(duì)比圖見圖6。

表2 下降管焊縫區(qū)疊加后主應(yīng)力 MPa

注：σ1代表第一主應(yīng)力；σ2代表第二主應(yīng)力；σ3代表第三主應(yīng)力；σIII代表第三強(qiáng)度應(yīng)力；σIV代表第四強(qiáng)度應(yīng)力。

圖6 下降管焊縫區(qū)應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度對(duì)比圖

由圖6可知，以第三強(qiáng)度應(yīng)力分析，下降管焊縫區(qū)未熱處理和補(bǔ)焊處的總應(yīng)力都遠(yuǎn)高于材料的屈服強(qiáng)度，實(shí)際上已經(jīng)屈服并產(chǎn)生塑性變形；經(jīng)歷一次熱處理后，其總應(yīng)力明顯減小，但依然高于《火電廠金屬材料手冊(cè)》中的最低屈服點(diǎn)。這部分應(yīng)力只存在汽包的局部區(qū)域里，即使達(dá)到或超過材料的屈服強(qiáng)度，由于其應(yīng)力范圍周圍的廣大地區(qū)仍處于彈性，不會(huì)使容器產(chǎn)生大的塑性變形。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，雖然焊縫區(qū)局部應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，存在局部的塑性變形，但是未超過，在卸載后重新加載時(shí)將完全呈彈性循環(huán)狀態(tài)(如圖7中的CB段)，沒有塑性變形產(chǎn)生，即結(jié)構(gòu)具有安定性，不會(huì)引起塑性不穩(wěn)定。但是，在機(jī)組頻繁啟動(dòng)停機(jī)的過程中，如此大的應(yīng)力幅將會(huì)增加其疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)，容易造成焊縫疲勞開裂，應(yīng)對(duì)采取合理方式降低焊縫殘余應(yīng)力同時(shí)竭力控制機(jī)組啟停頻率。

圖7 材料卸載加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

5 建議

(1)不考慮焊接殘余應(yīng)力，汽包應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)主要集中在汽包筒體與接管的縱向界面內(nèi)轉(zhuǎn)角處，其中下降管內(nèi)轉(zhuǎn)角處應(yīng)力最大，這些區(qū)域應(yīng)是機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

(2)除了運(yùn)行過程中的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力對(duì)汽包接管焊縫區(qū)的總應(yīng)力貢獻(xiàn)很大，未經(jīng)熱處理區(qū)域的總應(yīng)力要遠(yuǎn)高于材料的屈服強(qiáng)度，采用適當(dāng)方式消除焊縫殘余應(yīng)力十分必要。

(3)焊縫區(qū)局部應(yīng)力高于材料屈服強(qiáng)度，材料局部屈服，仍具有安定性，不會(huì)引起塑性不穩(wěn)定，但會(huì)加大其疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于此種狀況，應(yīng)竭力控制機(jī)組的啟停頻率。