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试析高压锅炉过热器集箱裂纹问题的防范措施

2021-10-25 98 上传者：管理员

摘要：通过对一台220t/h高压锅炉包墙过热器集箱泄漏事故的调查分析，发现包墙管膜式壁的结构特征使其在水平方向上柔性不足，在锅炉的启停过程中形成的胀差无法通过包墙管有效吸收，容易形成应力集中，使得集箱管座角焊缝处于交变的循环应力状态，随着机组的启停次数增加最终导致管座角焊缝处产生裂纹，提出相应的解决方案，以期为同类事故的防控提供一些借鉴。

关键词：
交变应力
爆裂事故
电力工业
集箱裂纹
高压锅炉
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随着电力工业的发展和科学技术的不断进步，以及国家火发电厂建设“上大压小”的思路，近二十年来电站锅炉逐渐向高参数过渡，锅炉用钢的研究和使用也取得了迅速的发展，以高强度耐热钢为代表的金属材料在高温管道与设备中得到广泛的应用[1,2]。这些管道、集箱及其管座是锅炉的核心部件，在服役过程中处于高温高压等恶劣的环境中，会发生蠕变、疲劳及蠕变-疲劳交互等现象[3]，若存在材质不良、结构不合理、焊接缺陷、工况不稳定等不良因素，将会发生焊缝开裂，甚至会出现爆裂事故，造成人员伤亡和财产损失[4]。多年来，广大设计、运行及检验检测技术人员对集箱失效的分析研究从未中断，尤其是集箱管座角焊缝裂纹的研究[5,6]。本文主要从设计及运行工况的角度分析事故的原因，并提出相应的解决方案和预防措施，为类似机组的检维修提供借鉴。

1、基本情况

某电厂一台高压锅炉，额定蒸发量220t/h、过热器出口压力9.8MPa/温度540℃，采用单炉膛、全悬吊、平衡通风、四角切圆燃烧方式。于2008年8月首次投用发电，截止过热器集箱泄漏事故发时（2017年1月）累计运行约55000小时。泄漏部位为底部包墙过热器下集箱（以下简称集箱），规格Φ273×32材质15CrMoG，总长4400mm，计算壁温335℃、工作压力10.2MPa；包墙管及管接头规格Φ38×4（共有64支），计算壁温385℃材质，20G。运行记录显示，期间经历了42次启停，其中非计划停机10次。

2、现场勘察

集箱水平布置在折焰角与水平烟道交界处正下方800mm，不受烟气加热，筒体有保温层包覆；与其连接的64支包墙管为膜式壁结构，布置在其正上方的水平烟道入口处，受烟气加热后将过热蒸汽至上而下的导入集箱，距离集箱250mm膜式壁截止，如图1所示。查阅运行数据获知，锅炉正常运行时集箱前侧烟气进口温度741～760℃，与设计文件（758℃）相符。集箱和包墙管均无壁温测点，实际运行温度未知，但布置在水平烟道前侧的高过及低过管子壁温数据显示，壁温差异均较小（<20℃）。

集箱泄漏后锅炉进行了紧急停炉，待温度接近室温后拆除邻近保温发现，多处集箱与管接头连接的管座角焊缝（以下简称角焊缝）存在宏观可见裂纹。随后委托有资质的检验检测机构对所有的角焊缝进行了宏观检测、光谱分析及磁粉检测。

检测结果表明，集箱材质符合设计要求，有30支角焊缝表面存在裂纹（占比约47%），裂纹均出现在角焊缝的左、右两侧的管子侧熔合线上，长度5～30mm，具体部位为左起1～15根、右起1～15根角焊缝，且越靠近集箱两端的裂纹越长，裂纹的分布具有明显的规律性，如图2所示。

3、原因分析

检测结果显示集箱角焊缝的裂纹分布具有明显的规律性，即越向集箱两端裂纹越严重，初步判断裂纹的产生与温度差异有关。锅炉正常运行过程中，集箱收集包墙管传输的介质混合后导入左右两侧集箱，参考高过及低过管子壁温数据可知，水平烟道温度场在水平方向上的分布趋于均匀，即各包墙管之间温差较小，由其产生的温差应力可以排除。

锅炉在启动过程中，包墙管的热膨胀主要有两个方向，一是以集箱为基点垂直向上膨胀，由于管子上端有弯头，膨胀受阻可以排除；二是膜式壁结构的包墙管会以一个整体的形式沿锅炉垂直中心线向两侧膨胀，且作为受热面的包墙管会比集箱升温速度快，此时的温度差异必将带来膨胀量不一致，出现管子（管排）膨胀量大于集箱的胀差，由于膜式壁在接近集箱250mm处才结束，过短的包墙管自身柔性明显不足而无法有效吸收胀差，在两者之间的连接部位形成应力增加，而管座角焊缝是连接部位的薄弱处，管子侧焊缝熔合线是截面突变部位更易形成应力集中，最终导致裂纹的从内侧熔合线附近萌生。且越靠近集箱两端胀差越大，应力也越大，形成的裂纹的长度越长，这与现场检测结果一致。

锅炉在停炉过程中，可理解为上述的逆过程，垂直方向上的收缩受阻可以排除；包墙管沿锅炉垂直中心线向中心线收缩，由于自身热容较小且处于炉内通风冷却状态，自然比包覆保温材料的集箱降温速度快，同样的反向胀差出现，即管子（管排）收缩量大于集箱，与启动过程相反，裂纹从外侧熔合线附近萌生。

可见，每次启停便产生一次交变应力的循环，由于该锅炉已经历多次启停，最终导致裂纹的萌生、发展、直至部件泄漏。由于不具备现场取样，无法进行进一步的微观分析，但从交变的循环应力状态可以初步判断，裂纹的形式疲劳裂纹[7]。

4、结论及措施

包墙管膜式壁的结构特征使其在水平方向上柔性不足，在锅炉的启停过程中形成的胀差无法通过包墙管有效吸收，容易形成应力集中，使得集箱管座角焊缝处于交变的循环应力状态，随着启停次数的增加，最终导致角焊缝开裂。

为了保障锅炉的安全运行，综合设计、安装、运行多方面因素，围绕消除或减少温差应力提出了如下解决措施：

(1）采用机械方法消除裂纹后补焊，并经无损探伤确认。

(2）切割膜式壁鳍片直至水平烟道底部（长度约400mm），增加包墙管柔性、减少应力集中。

(3）加强在机组启、停、加减负荷过程中的运行监控，控制负荷变化速率，避免快速升降负荷，减少温差应力。

(4）在日常维护中加集箱、管道连接管座等部位的检查，如发现根部泄漏，进一步扩大检查范围。

2020年下半年该锅炉进行了内部检验时，对上述修复部位进行了无损检测，未发现裂纹等缺陷，可见该消缺及运行监控措施有效。

参考文献:

[1]黄兴德,游喆,赵泓,等.超(超)临界锅炉给水疏水系统流动加速腐蚀特征和风险辨识[J].中国电力,2011,44(2):37-42.