高參數(shù)電站鍋爐主蒸汽熱電偶套管裂紋分析與防治

劉曉東

摘 要：文章著重介紹了火電廠600MW超超臨界機(jī)組鍋爐，在運(yùn)行超過30000小時(shí)后，主蒸汽管道上的熱電偶套管相繼出現(xiàn)了裂紋、泄漏，在研究了原始的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)的安裝情況后，給出了裂紋產(chǎn)生的原因和改進(jìn)、防治措施，也給其他電廠的類似問題的解決提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：超超臨界；鍋爐；熱電偶套管；裂紋；防治

中圖分類號(hào)：TK223.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0051-02

1 鍋爐概況

某火力發(fā)電廠2×600MW超超臨界燃煤機(jī)組鍋爐，是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司根據(jù)日本三菱重工業(yè)株式會(huì)社提供技術(shù)支持而設(shè)計(jì)、制造的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，采用П型布置、單爐膛、改進(jìn)型低NOX分級(jí)送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、墻式切園燃燒方式，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)、一次中間再熱。過熱蒸汽調(diào)溫方式以煤水比為主，同時(shí)設(shè)置三級(jí)噴水減溫器；再熱蒸汽主要采用尾部豎井分隔煙道調(diào)溫?fù)醢逭{(diào)溫，同時(shí)燃燒器的上下擺動(dòng)對(duì)再熱蒸汽溫度也有一定的調(diào)節(jié)作用，在低溫再熱器入口管道上還設(shè)置有事故噴水減溫器。鍋爐采用平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)煤種為淮南煙煤。

2 問題描述

鍋爐主蒸汽管道設(shè)計(jì)布置在鍋爐大包標(biāo)高附近，從四級(jí)過熱器集箱出口的兩側(cè)接出并引向爐前，左右各一根，直徑為φ406*75，材質(zhì)為SA335-P92。每一根主蒸汽管道的水平管段在其徑向斷面12點(diǎn)鐘的位置、沿蒸汽流動(dòng)的方向分別布置有3只間隔為500mm的蒸汽溫度套管，材質(zhì)為SA182-F316，與測(cè)量蒸汽溫度的熱電偶配套使用，設(shè)計(jì)壽命為25年，即與鍋爐本體等同。

但在機(jī)組運(yùn)行了約30000小時(shí)之后，在固定熱電偶的螺紋連接處相繼出現(xiàn)了兩例蒸汽泄漏事件，初步分析，是熱電偶套管某處出現(xiàn)裂紋或者斷裂，使得高溫、高壓的蒸汽從裂紋處泄漏至熱電偶所插入的腔室內(nèi)，并從螺紋連接的縫隙向外泄漏出來。

3 原因分析

現(xiàn)場(chǎng)取下了泄漏的熱電偶溫度套管，發(fā)現(xiàn)裂紋均發(fā)生在退刀槽根，詳細(xì)見原設(shè)計(jì)圖紙（見圖1）中的詳圖I中的R2.5所示部位。仔細(xì)研究了原熱電偶套管的設(shè)計(jì)圖紙、和實(shí)際的安裝情況，分析造成裂紋發(fā)生的原因如下：

3.1 退刀槽根部距熱電偶螺紋固定處壁厚余量不足

在圖紙上經(jīng)同等比例測(cè)量，詳圖I中的R2.5所示部位，即退刀槽根部至熱電偶螺紋固定處的最小距離為8.33mm，且存在著加工棱角，應(yīng)力較為集中，在設(shè)計(jì)強(qiáng)度余量較小的前提下、該處又是制造工件應(yīng)力最為集中的地方，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加而使裂紋延展、貫穿、泄漏。

3.2 起支撐作用的3凸臺(tái)伸出管道內(nèi)部?jī)?nèi)壁而未起支撐作用

鍋爐制造廠一般會(huì)將熱電偶套管作為一個(gè)通用件來設(shè)計(jì)，產(chǎn)品定型后一般不再因工程的不同而修改設(shè)計(jì)。但不同工程的鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)主蒸汽管道壁厚會(huì)隨著設(shè)計(jì)參數(shù)的需要有所改變，尤其是管壁減薄設(shè)計(jì)會(huì)造成3個(gè)沿圓周方向均勻布置、起支撐作用的凸臺(tái)脫離出主蒸汽管道的內(nèi)壁，凸臺(tái)無法起到支撐套管的作用。鍋爐運(yùn)行時(shí)高速流動(dòng)的蒸汽橫向沖刷熱電偶套管，造成其在管道內(nèi)的高頻振動(dòng)，進(jìn)而使套管尾部退刀槽根部位置出現(xiàn)裂紋、乃至貫穿、泄漏。

3.3 起支撐作用的凸臺(tái)外緣與管孔內(nèi)壁存在間隙

圓周方向均勻布置的3個(gè)凸臺(tái)的外緣與主蒸汽管道開孔的公差配合是否合理也是造成裂紋能否產(chǎn)生的重要因素。查看圖紙和安裝的實(shí)際情況，原熱電偶套管的起支撐 作用的3個(gè)凸臺(tái)的外緣直徑設(shè)計(jì)偏小，與管道開孔內(nèi)徑裝配時(shí)是間隙配合，存在著間隙，橫向沖刷的蒸汽對(duì)套管產(chǎn)生了橫向力，使熱電偶套管尾部退刀槽的根部區(qū)域長(zhǎng)期處于交變應(yīng)力變化的工作環(huán)境之中，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞裂紋、貫穿、泄漏。

4 防治措施

針對(duì)上述的分析，并與設(shè)計(jì)人員討論后，決定做如下設(shè)計(jì)修改。

4.1 增加詳圖I中退刀槽根部與熱電偶螺紋固定之間的壁厚設(shè)計(jì)

壁厚由原來的8.33mm增加至16mm，大大增加了該處設(shè)計(jì)強(qiáng)度余量。

4.2 改變支撐用凸臺(tái)的設(shè)計(jì)位置

為了適應(yīng)各種爐型的主蒸汽管道壁厚的差異，同時(shí)兼顧舊電廠的改造施工可能性，將支撐用凸臺(tái)（B-B剖視）設(shè)計(jì)靠近溫度套管的尾部，以保證在裝配中始終在管接頭直段以內(nèi)而不至于伸出主蒸汽管壁以外。

4.3 改凸臺(tái)外緣與管接頭內(nèi)壁為過盈配合

支撐凸臺(tái)的外緣直徑與管接頭的內(nèi)徑由間隙配合改成是過盈配合，從而消除了橫向沖刷的蒸汽對(duì)溫度套管的橫向力而產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，使得其尾部退刀槽處于一個(gè)更加穩(wěn)定、相對(duì)較好的一個(gè)工作環(huán)境。

4.4 安裝控制

在溫度套管與管接頭現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，要注意修磨支撐用凸臺(tái)的外緣直徑與管接頭內(nèi)徑是過盈配合：存在間隙勢(shì)必還會(huì)造成套管高頻振動(dòng)，而直徑過大又無法正常安裝到位。

采用合格的工藝評(píng)定對(duì)焊縫進(jìn)行焊接、熱處理和檢測(cè)，保證焊縫的施工質(zhì)量。

5 質(zhì)量控制

溫度套管是高溫高壓電站鍋爐溫度取樣或者熱電偶安裝的典型設(shè)計(jì)，除了在設(shè)計(jì)、制造加工精度、安裝工藝上要完善以外，在日常中要做到如下幾點(diǎn)：

（1）機(jī)組在運(yùn)行過程中，盡量維持主汽壓力穩(wěn)定，在升降負(fù)荷及鍋爐吹灰時(shí)要注意調(diào)整壓力變化平穩(wěn)，防止發(fā)生大幅度波動(dòng)。

（2）調(diào)整主、再熱汽溫時(shí)，首先對(duì)目前工況下主再熱汽溫可能的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，調(diào)整時(shí)有預(yù)調(diào)量，使汽溫變化平穩(wěn)，嚴(yán)禁發(fā)生超溫或低溫，嚴(yán)禁發(fā)生溫度大幅度擺動(dòng)。

（3）每年機(jī)組大修，都要嚴(yán)格按照金屬監(jiān)督之規(guī)定，抽出一定比例對(duì)焊縫、退刀槽等做無損探傷或者PT檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

（4）在進(jìn)行管道閥門的操作時(shí)要緩慢，防止對(duì)管道產(chǎn)生水沖擊或汽沖擊。

（5）在四大管道溫度、壓力測(cè)點(diǎn)管座開裂飛出可能傷人的地方懸掛警示牌，巡檢時(shí)注意管道振動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)有異常聲音時(shí)不得擅自檢查，應(yīng)通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，應(yīng)做好預(yù)防措施，或離開異常區(qū)域，通知相關(guān)專業(yè)人員檢查。

（6）在機(jī)組啟停時(shí)嚴(yán)格按照升溫升壓曲線操作，應(yīng)防止參數(shù)出現(xiàn)大幅度變化；在主蒸汽量小于10%時(shí)嚴(yán)禁使用降溫水。

6 結(jié)束語

我國已經(jīng)投運(yùn)的超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組有120多臺(tái)，大容量、高參數(shù)的機(jī)組的大量運(yùn)行已經(jīng)是當(dāng)今世界能源、環(huán)保等更高要求的發(fā)展趨勢(shì)。減少爐管泄漏、尤其是減少爐外管裂紋或蒸汽泄漏，是發(fā)電設(shè)備安裝、維護(hù)、管理一直追求的奮斗目標(biāo)。

通過對(duì)機(jī)組設(shè)備的日常維護(hù)、金屬監(jiān)督、臺(tái)賬管理，減少設(shè)備事故的發(fā)生，就要做好各個(gè)環(huán)節(jié)各個(gè)階段的監(jiān)督工作，保證機(jī)組設(shè)備的安全運(yùn)行。