某電廠#5、6鍋爐包覆過熱器中隔墻聯(lián)箱管座及管子拉裂分析及解決方案

摘 要：某電廠#5、6號(hào)鍋爐尾部煙道包覆過熱器中間隔墻聯(lián)箱管座及管子自投產(chǎn)后多次發(fā)現(xiàn)裂紋或直接拉裂泄露事故，對(duì)泄露的管子及出現(xiàn)裂紋的地方進(jìn)行了熱力分析，研究鍋爐汽水循環(huán)結(jié)構(gòu)。分析結(jié)果表明，由于鍋爐脹差客觀存在的原因，在機(jī)組運(yùn)行特別是啟停過程中，中隔墻（含上、下部份）管屏與側(cè)包覆墻管存在較大溫差導(dǎo)致的脹差，該脹差在這個(gè)位置產(chǎn)生很大的熱脹推力，這個(gè)推力卻無法釋放，在應(yīng)力集中處產(chǎn)生很大彎曲力，最終導(dǎo)致管子彎曲拉裂或管座拉裂，進(jìn)而導(dǎo)致管子失效。

關(guān)鍵詞：包覆過熱器中隔墻聯(lián)箱；拉裂；泄露；脹差；熱推力；彎曲應(yīng)力

1 設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)事故情況

某電廠三期工程#5、6機(jī)組是兩臺(tái)300MW循環(huán)流化床機(jī)組，自2008年10月28日動(dòng)工建設(shè)，分別于2010年的7月6日、8月24日建成投產(chǎn)。鍋爐型號(hào)為：SG-1036/17.5-M4506，鍋爐型式：?jiǎn)五佂沧匀谎h(huán)、亞臨界中間再熱、循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐后煙井受熱面包括低溫過熱器、低溫再熱器、包覆過熱器、省煤器。后煙井上部被隔墻包覆過熱器分隔成前、后二個(gè)煙道，前煙道內(nèi)布置低溫再熱器，后煙道內(nèi)依次布置低溫過熱器和二級(jí)省煤器。其中中隔墻和側(cè)包墻上聯(lián)箱是單獨(dú)布置后懸吊在鍋爐頂板上，中隔墻和側(cè)包墻下聯(lián)箱是連通成一個(gè)“日”型整體布置。

機(jī)組投入運(yùn)行至今，多次發(fā)現(xiàn)中隔墻下聯(lián)箱兩側(cè)管座及管子出現(xiàn)裂紋或直接拉裂泄露現(xiàn)象，進(jìn)而造成機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)搶修。具體設(shè)備情況如下：

1.1 2011年2月，#5爐中隔墻下聯(lián)箱右側(cè)管座拉裂泄漏

2011年2月20日，#5爐中修過熱器系統(tǒng)水壓試驗(yàn)，在頂壓至5MPa時(shí)發(fā)現(xiàn)#5爐中隔墻下聯(lián)箱右側(cè)管座漏水，發(fā)現(xiàn)中隔墻下聯(lián)箱右側(cè)第三、四條管座與聯(lián)箱焊縫斷裂，裂口位于角焊縫與管座熱影響區(qū)域。

對(duì)泄漏點(diǎn)旁邊的右側(cè)包墻管（ф51×6）進(jìn)行測(cè)厚沒有發(fā)現(xiàn)減薄，對(duì)泄漏點(diǎn)旁邊三條管子進(jìn)行測(cè)厚，壁厚值分別是7.3、7.4、7.5，減薄量不大。對(duì)中隔墻右側(cè)第5至9條和左側(cè)第1至5條管座與聯(lián)箱角焊縫進(jìn)行打磨著色檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常。

1.2 2011年11月，#6爐中隔墻下聯(lián)箱管座拉裂泄漏

2011年11月19日#6機(jī)組補(bǔ)水率大，確認(rèn)中隔墻有管子泄露。在停爐后，四管防磨人員進(jìn)入爐內(nèi)檢查，發(fā)現(xiàn)中隔墻下聯(lián)箱連接管座下焊縫熱影響區(qū)（B側(cè)）有1個(gè)漏點(diǎn)，泄漏處為環(huán)形裂紋，裂紋起始方向?yàn)闋t前往后方向。經(jīng)對(duì)中隔墻下聯(lián)箱管座處（B側(cè)）管子著色檢查，發(fā)現(xiàn)除已漏的管子外，附近三根管子管座已存裂紋（如圖2所示）。

1.3 2014年7月，#6爐中隔墻下聯(lián)箱管子拉裂泄漏

2014年7月，經(jīng)巡查發(fā)現(xiàn)#6爐尾部煙道中隔墻下聯(lián)箱處有泄露的響聲，檢查確認(rèn)中隔墻下聯(lián)箱處有管子泄露。在停爐后進(jìn)入檢查發(fā)現(xiàn)爐中隔墻聯(lián)箱B側(cè)第二根管子在內(nèi)彎處開裂，管子已經(jīng)失效（見圖2）。該根管子開裂后對(duì)旁邊第三根管子造成吹損，檢查發(fā)現(xiàn)第四根管子在內(nèi)彎頭處也明顯存在裂紋。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其它13根彎管的彎頭位置進(jìn)行磁粉探傷檢查，發(fā)現(xiàn)第5、6、7根彎管在內(nèi)彎頭位置都存在裂紋現(xiàn)象。

2 中隔墻下聯(lián)箱管子及管座產(chǎn)生裂紋的原因分析

包覆過熱器中隔墻下聯(lián)箱上連接的是一排規(guī)格為ф32×8，20G的管子，原設(shè)計(jì)安裝時(shí)聯(lián)箱兩端前兩根管子有一定的彎曲，其他的都是直管。發(fā)生泄漏的地方（如圖3所示）幾乎都是在中隔墻下聯(lián)箱兩側(cè)第一、二根彎曲的管子或第一、二根直管管座處，且在第一次發(fā)生泄漏后檢查發(fā)現(xiàn)中隔墻下聯(lián)箱右側(cè)第三至八條管直段均有不同程度的彎曲變形，中隔墻上部高溫段直管也存在更明顯的管子彎曲變形現(xiàn)象。可見中隔墻過熱器在實(shí)際運(yùn)行中肯定存在膨脹受阻。導(dǎo)致膨脹受阻的可能原因如下：

中隔墻和側(cè)包墻上聯(lián)箱是單獨(dú)布置后懸吊在鍋爐頂板，中隔墻和側(cè)包墻下聯(lián)箱是連通成一個(gè)“日”型整體布置。側(cè)包墻管子單面吸熱，中隔墻布置在后煙井中間管子兩面同時(shí)吸熱。同時(shí)中隔墻管徑比側(cè)墻管徑小，熱量傳遞比側(cè)包墻慢，在機(jī)組啟停過程中隔墻熱膨脹量比側(cè)包墻大。這樣在中隔墻和側(cè)包墻下聯(lián)箱連通成一體的情況下，必然產(chǎn)生中隔墻與側(cè)包墻實(shí)際運(yùn)行中膨脹不同步。中隔墻管屏已發(fā)生的彎曲變形狀況也證明了這一分析。

中隔墻下聯(lián)箱右側(cè)第一、二條管是彎管，其后均是直管，這樣最邊沿的直管在發(fā)生膨脹不暢時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力較大，出現(xiàn)焊口拉裂（如圖1）。

由于在運(yùn)行過程中，特別是在啟停過程中，中隔墻（含上、下部份）管屏與側(cè)包覆墻管存在較大溫差導(dǎo)致的脹差，該脹差在這個(gè)位置產(chǎn)生很大的熱脹推力，使得管屏彎曲變形，在幾何結(jié)構(gòu)最不連續(xù)處即應(yīng)力最集中的管座處產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力。當(dāng)管屏彎曲變形后，管座的一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓。從現(xiàn)場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)，管屏朝爐前彎曲，在中隔墻比側(cè)包墻熱時(shí)，中隔墻膨脹量大，此時(shí)前側(cè)受壓，后側(cè)受拉，在中隔墻較側(cè)包墻較快冷卻時(shí)，前側(cè)受拉，后側(cè)受壓。因此，該彎曲應(yīng)力是交變彎曲應(yīng)力。所以，應(yīng)是熱脹推（拉）力產(chǎn)生的交變彎曲應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞開裂。開裂在爐前后兩個(gè)方向都有可能產(chǎn)生。可以認(rèn)為，在升負(fù)荷（啟爐）時(shí)，中隔墻受熱快，且管內(nèi)介質(zhì)為下游，溫度較高，因此，中隔墻膨脹量較大，此時(shí)，管屏表現(xiàn)為熱脹推力，產(chǎn)生向前拱的彎曲變形后，在管座爐前側(cè)為壓應(yīng)力，在爐后側(cè)位拉應(yīng)力。在降負(fù)荷時(shí)，則相反。此時(shí)，爐前側(cè)為拉應(yīng)力，爐后側(cè)為壓應(yīng)力。受拉的應(yīng)力才會(huì)導(dǎo)致開裂，因此，爐前側(cè)的開裂多發(fā)生在降負(fù)荷（停爐）過程中，爐后側(cè)的開裂多發(fā)生在升負(fù)荷（啟爐）過程中。這就是以上幾次事故發(fā)生的原因所在。

3 中隔墻下聯(lián)箱管子及管座產(chǎn)生裂紋的處理措施

經(jīng)過查閱圖紙和現(xiàn)場(chǎng)檢查，包覆過熱器下聯(lián)箱下部膨脹沒發(fā)現(xiàn)問題，而且根據(jù)上述分析，由于脹差客觀存在，并且沒有很好的方法來解決，所以要解決管座及管子受力拉裂的問題，必須對(duì)中隔墻下聯(lián)箱所連接的管子進(jìn)行改造。可以從兩個(gè)途徑著手解決，一是增加爐管的柔性，第二是增加管座根部的剛度和強(qiáng)度，減少該處的應(yīng)力集中。具體方法如下：

（1）將中隔墻兩端第1、2根管子更換為彎曲半徑比原設(shè)計(jì)管子大的新管，且中隔墻下聯(lián)箱兩端第3、4根直管更換為彎管后能夠吸收膨脹應(yīng)力，此后在著色檢查中未發(fā)現(xiàn)缺陷，所以對(duì)兩側(cè)第5至17根子（拉裂的11根管子加上擴(kuò)大性預(yù)防2根，共13根）做類似處理，由直管更換為彎管，其中管子長(zhǎng)度為：下焊口以把裂紋消除為準(zhǔn)，上焊口則與第3、4根管子上焊口平齊，管子彎曲半徑稍比第3、4彎管的彎曲半徑大則可。更換彎管后，管與管間鰭片不作恢復(fù)。

（2）中隔墻下聯(lián)箱直管段下部全部用鰭片連為一整體，若部分管子受力膨脹不暢，會(huì)對(duì)周邊管子造成拉擠，破壞其力平衡，進(jìn)而拉裂管子。為了解決這個(gè)問題，可以將原中隔墻下聯(lián)箱管全部鰭片向上割開150mm左右，頂部鉆一ф8小孔，作為應(yīng)力釋放槽（如圖4）。這樣可以增加爐管的柔性，有助于中間段的變形，從而減少熱脹推力，減少熱脹推力對(duì)管座產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。

（3）為增加管座根部的剛度和強(qiáng)度，可對(duì)中隔墻下聯(lián)箱兩側(cè)第1、2、3、4根管更換的新管，在其管座位置前后段加焊拉筋板，拉筋板現(xiàn)場(chǎng)使用σ=5mm，Q235-A鐵板制作，拉筋板與管子及聯(lián)箱接觸段要求滿焊。

（4）在機(jī)組停運(yùn)后，不要過早打開聯(lián)箱附近的入孔，以防止聯(lián)箱與管子因受冷而快速冷縮，如果冷縮速率方向不均，就會(huì)造成管子在管座焊縫處因熱拉力影響而拉裂，所以停爐后要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，做好預(yù)防性維護(hù)。

4 結(jié)束語

包覆過熱器中隔墻下聯(lián)箱管子及管座存在膨脹受阻是因?yàn)橹懈魤芷僚c側(cè)包覆墻管存在較大溫差導(dǎo)致的脹差，該脹差在幾何結(jié)構(gòu)最不連續(xù)處即應(yīng)力最集中的管座處產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，進(jìn)而使管座拉裂或管子拉裂。通過增大管子的彎曲半徑、改造管屏的鰭片來增強(qiáng)管子的柔性，釋放熱脹推力對(duì)管座產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。加焊拉筋板，增加管座根部的剛度和強(qiáng)度，使管座不易被拉裂。做好保護(hù)措施及檢測(cè)，有效的解決了過熱器中隔墻下聯(lián)箱管子及管座因應(yīng)力受阻而拉裂的問題。

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[2]段文龍.廣東省云浮發(fā)電廠金屬監(jiān)督技術(shù)分析報(bào)告[R].2011：2-5.

作者簡(jiǎn)介：彭國栓（1985-），男，廣東粵電云河發(fā)電有限公司，研究方向：鍋爐檢修。