某電廠輔汽聯(lián)箱焊縫失效分析及處理

葉飛 張越

摘 要 某電廠的輔汽聯(lián)箱出現(xiàn)了焊縫頻繁開裂、管道翹曲的失效現(xiàn)象，本文采用宏觀形貌分析、化學成分分析、金相分析以及維氏硬度分析等方法對焊縫開裂的原因進行了檢測，并通過結(jié)合有限元仿真分析來表明管道翹曲引起了焊縫應(yīng)力異常，進而導(dǎo)致管道內(nèi)壁角焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)穿晶型的裂紋。為了降低運行和檢修風險，提高經(jīng)濟效應(yīng)，本文對該輔汽聯(lián)箱進行了改造處理。

關(guān)鍵詞 輔汽聯(lián)箱;管道焊縫;裂紋分析;結(jié)構(gòu)改造

前言

作為輸送特殊介質(zhì)的特種設(shè)備，壓力管道的安全性是至關(guān)重要的。某火力發(fā)電廠的600 MW機組，其鍋爐的型號為HG-1900/25.4-YM4，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該機組輔汽聯(lián)箱四個鍛制三通的環(huán)形管道焊縫在運行過程中出現(xiàn)頻繁開裂漏氣的現(xiàn)象，嚴重威脅了該機組長期運行，具有較大的安全風險。

1理化性能分析

依據(jù)《容檢規(guī)》的規(guī)定，當檢驗發(fā)現(xiàn)焊縫表面裂紋時，若需要進行焊縫埋藏缺陷部位的檢測，應(yīng)對樣品進行擴展檢驗項目[1-3]。因此，我們首先對焊縫進行了以下的理化分析：

1.1 宏觀形貌分析

焊縫的宏觀形貌如圖1所示。由圖可見：樣品裂紋位于焊縫與母材結(jié)合處，呈環(huán)向開裂，裂紋在內(nèi)壁長約10 mm，內(nèi)壁其他部位宏觀均未見裂紋缺陷;外壁焊縫處進行過補焊，未見明顯缺陷。

1.2 化學成分分析

按照GB/T 223-2000《鋼鐵及合金化學分析方法系列國家標準》對管樣進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯龉軜拥幕瘜W成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對20號鋼管的要求。

1.3 金相分析

樣品內(nèi)外壁（去除補焊塊）及組織的金相形貌如圖2所示，結(jié)果表明樣品從管道內(nèi)壁角焊縫熱影響區(qū)開裂，裂紋沿壁厚方向向管道外壁和環(huán)向擴展;此外，樣品焊縫部位存在多處空洞及裂紋，裂紋呈穿晶型，主裂口附近存在二次裂紋，但樣品的焊縫、熱影響區(qū)和母材組織均未見異常。

1.4 維氏硬度分析

我們按照GB/T 4340.1在HVS-50型維氏硬度機上對金相樣進行維氏硬度試驗，試驗載荷為30 kgf，保載時間12秒，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯艿罉悠返哪覆挠捕确螪L/T 438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對20鋼管硬度126～168 HV的要求，環(huán)焊縫處硬度符合DL/T 869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》對焊縫的要求，即同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度，不超過母材布氏硬度值加100 HB，且合金總含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于284 HV。

2失效原因分析

經(jīng)過詳細分析，輔汽聯(lián)箱焊縫頻繁開裂的原因主要為以下三點：

（1）輔汽聯(lián)箱內(nèi)長期存在積水，管道內(nèi)部與蒸汽接觸部分和與積水接觸部分溫度不均，使管道發(fā)生翹曲，進而使焊縫應(yīng)力異常，母管及其附件疲勞損壞，如圖3（a）所示。

為此，我們采用有限元軟件ABAQUS對20號鋼管Φ377×9進行了失效仿真模擬，材料模型采用碳素鋼彈塑性模型[4]，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，密度7.8 g/cm3，屈服應(yīng)力設(shè)為206 MPa，熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.2e-7;對鋼管底部外側(cè)進行固支約束，依據(jù)現(xiàn)場實驗及測定設(shè)定積水區(qū)域鋼管溫度為180?C，其余區(qū)域鋼管溫度范圍為180～340?C，鋼管頂部區(qū)域溫度為340?C?？梢钥闯?，如圖3（b）所示，鋼管由于溫度不均出現(xiàn)翹曲變形，與實際觀察情況相吻合。

（2）如圖4（a）所示，輔汽聯(lián)箱從#01固定支架至#06滑動支架間的水平距離約25 m，在較長的管線上布置了4組導(dǎo)向支架、2組滑動支架會造成管線剛度較大而柔性不足的結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。

（3）管線接口較多，輔汽聯(lián)箱水平段有6個三通管件，且各個管端對輔汽聯(lián)箱均有推力，當幾個管端對輔汽聯(lián)箱的推力不協(xié)調(diào)時容易使輔汽聯(lián)箱發(fā)生扭曲變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受損和功能失效。

3改造處理

為了解決輔汽聯(lián)箱頻繁開裂的問題，降低運行和檢修風險，提高經(jīng)濟效益，如圖4（b）所示，結(jié)合管線結(jié)構(gòu)布置所存在的缺點和安全隱患，我們對輔汽聯(lián)箱進行了以下改造：

（1）在輔汽聯(lián)箱兩處最低點增加四路自動疏疏水管路來防止聯(lián)箱內(nèi)積水，疏水排入爐主蒸汽吹灰疏水母管后，再排入疏水擴容器。

（2）在輔汽聯(lián)箱上增加一個Π型彎管，并在Π型彎管兩側(cè)直管段處加裝框式導(dǎo)向支架，利用Π型彎管吸收水平段熱位移來增加管線的柔性。

4結(jié)束語

本文采用宏觀形貌分析、化學成分分析、金相分析以及維氏硬度分析等方法，本文針對某電廠輔汽聯(lián)箱焊縫頻繁開裂進行失效原因檢測及有限元模型分析，發(fā)現(xiàn)管道溫度不均引起焊縫應(yīng)力異常，進而導(dǎo)致管道內(nèi)壁角焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)了穿晶型的裂紋。通過對輔汽聯(lián)箱進行增加自動疏水管道和Π型彎管等結(jié)構(gòu)改造處理，以確保該機組的安全穩(wěn)定運行。

參考文獻

[1] 董志蓮，張樹基.鍋爐主汽集汽聯(lián)箱管座缺陷的焊接修復(fù) [J]. 華北電力技術(shù)，1997（8）：60-62.

[2] 陳洪君.中溫中壓鍋爐集汽聯(lián)箱管座角焊縫裂紋分析 [J]. 鍋爐制造，2001（3）：21-23.

[3] 鄧輝.高溫再熱器出口聯(lián)箱管座角焊縫開裂原因分析 [J]. 華電技術(shù)，2019（8）：74-77，80.

[4] 金朝陽，崔振山.低碳鋼熱塑性成形過程本構(gòu)模型 [J]. 上海交通大學學報，2010（4）：6-10，15.

作者簡介

葉飛（1983-），男;畢業(yè)院校：江蘇大學，學歷：本科，職稱：工程師;現(xiàn)就職單位：浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司，研究方向：電廠熱能動力工程。