末過入口導(dǎo)管排空氣管座裂紋產(chǎn)生原因分析及處理

劉 斌

（元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024070）

元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司4號鍋爐是采用美國燃燒工程公司（CE）的引進技術(shù)設(shè)計和制造的。 該鍋爐為亞臨界壓力、一次中間再熱、控制循環(huán)汽包爐，是國產(chǎn)經(jīng)典π形鍋爐。鍋爐的主要聯(lián)箱、導(dǎo)管布置于爐頂頂棚聯(lián)箱內(nèi)，管道上大多配有排空氣管座、溫度壓力測點管座、取樣或疏水管座，管座上均存在角焊縫。在機組運行過程中，原始焊接缺陷、管路系統(tǒng)和管座結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，將造成管座角焊縫漏泄。發(fā)生漏泄，歸根結(jié)底都屬于應(yīng)力破壞導(dǎo)致的故障。漏泄會導(dǎo)致機組工作不正常，使企業(yè)蒙受損失。

1 裂紋檢查

在2014年3月15日檢修時，發(fā)現(xiàn)爐頂東北角右側(cè)再熱器出口管下方有漏泄聲。在停爐檢查漏點時，發(fā)現(xiàn)在右側(cè)末級過熱器入口聯(lián)箱導(dǎo)管排空氣管座焊縫焊趾處有裂紋并導(dǎo)致漏泄。漏點位于爐頂，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：滿負荷運行壓力為18.36MPa，溫度為 511℃；母管規(guī)格為φ559×98，材質(zhì)為A335P22；管接頭規(guī)格為φ32×5，材質(zhì)為12Gr1MoV；總長度為150mm。將漏泄的管接頭割開后，取樣并進行金相檢驗，發(fā)現(xiàn)該管座焊口處管材存在明顯的珠光體球化（5級）現(xiàn)象。管接頭焊接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管接頭焊接結(jié)構(gòu)

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

（1）焊接結(jié)構(gòu)形式不合理，是造成焊接質(zhì)量不達標(biāo)、管座角焊縫開裂漏泄的根本原因。將管接頭割除后，對其結(jié)構(gòu)進行了分析。由圖1可知管接頭的焊接結(jié)構(gòu)。由于不能保證根部焊透，因此將焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計成這種形式，不適用于加強型管座。在機組運行過程中，由于不能焊透的焊縫多存在應(yīng)力集中的問題，使其承載能力低，因此容易導(dǎo)致焊縫開裂泄露。類似結(jié)構(gòu)還存在于該機組省煤器U型管疏水管座、熱再排空氣管管座中，并且也曾發(fā)生過漏泄。由于采用此種結(jié)構(gòu)造成焊縫開裂的現(xiàn)象在火電廠中的高溫承壓設(shè)備上時有發(fā)生，在現(xiàn)行焊接規(guī)程中已明確規(guī)定不得采用此種結(jié)構(gòu)，如：在《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中，規(guī)定“不得采用此種焊接形式”[1]；在《水管鍋爐受壓元件強度計算GB9222-1988》中，將此結(jié)構(gòu)作為非加強結(jié)構(gòu)的管接頭形式[2]。

（2）排空氣管的管路設(shè)計存在缺陷。彎管及后段管道全部埋在頂棚保溫泥內(nèi)，幾乎沒有攢動量，使得在機組運行過程中對母管熱膨脹位移的補償能力不足。管座本身就屬于承壓部件，承受一次應(yīng)力。在機組運行過程中，管座因結(jié)構(gòu)膨脹受阻而造成二次應(yīng)力，使管座角焊縫焊趾處更加容易開裂。

（3）經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，管座角焊縫裂紋位于焊縫焊趾處，裂紋尺寸為約1/3圓周。裂紋的位置處于熱影響區(qū)中的融合區(qū)。由于該區(qū)的機械性能最差，因此熱影響區(qū)中的融合區(qū)是容易產(chǎn)生裂紋的區(qū)域。

（4）在異種鋼焊接過程中會存在焊接殘余應(yīng)力。存在這種焊接殘余應(yīng)力，不利于保證機組的工作性能，容易導(dǎo)致焊縫發(fā)生斷裂[3]。

3 修復(fù)方案

3.1 管座改型

原管接頭焊接結(jié)構(gòu)不屬于加強型管座結(jié)構(gòu)。采用此種焊接形式，焊縫的承載能力低。由于管座焊縫處于承壓部件的應(yīng)力集中區(qū)，因此焊縫承受的應(yīng)力較大。為保證管座有足夠的強度，能夠承載較大的應(yīng)力，應(yīng)選用加厚型漸縮管座（即增加壁厚且使壁厚尺寸漸變）。選用12Gr1MoV（鍛件）為管座材質(zhì)，改型后的加強管座如圖2所示。

圖2 加強管座

改型后的焊接仍屬異種鋼焊接，焊接工藝的具體技術(shù)要求如下：在焊接對口前，應(yīng)將坡口表面及其附近10～15mm區(qū)域內(nèi)外壁的油、漆、垢、銹等清理干凈直至能看到金屬光澤；采用氬弧焊（直流正接）打底，手工電弧焊（直流正接）蓋面；焊絲材料為R31,焊條為R307 Φ3.2；氬弧焊的焊接電流為90～110A，電弧焊的焊接電流為95～120 A；氬弧焊打底后，采用多層多道焊接工藝，焊條左右擺動幅度不得大于焊條直徑的3倍，每層焊縫的高度不得超過4 mm，電弧長度不得大于3 mm；在整個焊接過程中，要嚴(yán)格控制層間溫度不超過300℃；焊接后，應(yīng)立即對再熱管道與管座的焊口進行730℃的回火處理，預(yù)熱及焊后熱處理曲線如圖3所示[4]；熱處理后，應(yīng)進行UT、PT、表面硬度檢驗，要求UT檢驗達到I級合格標(biāo)準(zhǔn)、PT檢驗表面無裂紋、表面硬度檢驗符合標(biāo)準(zhǔn)（美標(biāo)材質(zhì)A335P22與德標(biāo)10CrMo910 等同）。

圖3 熱處理曲線

3.2 管路優(yōu)化

由于管路設(shè)計存在缺陷，管接頭以上的排空氣管被埋在頂棚保溫泥內(nèi)，嚴(yán)重影響了管路熱補償，導(dǎo)致管座及管座上的焊口承受二次應(yīng)力，因此要從根本上解決這一問題，需對管路進行優(yōu)化。為徹底解決這種類似問題，制定了如下管路優(yōu)化方案。

（1）為解決管路熱補償能力不足的問題，將管接頭后彎管更換為膨脹補償器。使用膨脹補償器，增加了管路的熱補償量，消除了膨脹應(yīng)力，避免了管座焊口的徑向受力[5]。

（2）為避免頂棚聯(lián)箱框架板對排空氣管膨脹的影響，在排空氣管穿墻處頂棚聯(lián)箱框架板上開φ400mm圓孔；在排空氣管上安裝環(huán)形滑動裝置，在母管熱膨脹時保障排空氣管膨脹補償器有足夠的位移空間；在開孔處安裝永久保溫鐵皮罩盒，以防止工作人員踩踏[6]。優(yōu)化前的管路布置如圖4所示，優(yōu)化后的管路布置如圖5所示。

圖4 優(yōu)化前的管路布置

圖5 優(yōu)化后的管路布置

4 結(jié)論

（1）應(yīng)力集中嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)形式不合理、根部未焊透以及排空氣管路設(shè)計不合理，是造成管座角焊縫損壞的主要原因。

（2）改進管座的設(shè)計結(jié)構(gòu)，使用加強型管座，可有效提高承載能力。選用加厚型漸縮管座并嚴(yán)格按照工藝要求實施焊接后，大大提高了承壓角焊縫的安全性。增加壁厚，能夠提高管座強度；使壁厚尺寸漸變，能夠有效改善應(yīng)力集中情況；嚴(yán)格按照工藝要求實施焊接，能夠獲得性能較好的焊縫。

（3）優(yōu)化管路，可從根本上解決熱補償能力不足的問題，有效降低管座焊縫開裂的風(fēng)險。合理布置排空氣管的管路，采取以下措施可有效解決熱補償能力不足的問題：將管接頭后彎管更換為膨脹補償器；在頂棚框架板開孔；在排空氣管上安裝環(huán)形滑動裝置；在開孔處安裝永久保溫鐵皮罩盒。