再熱器減溫器裂紋原因分析及處理

陳石凌（杭州華電半山發(fā)電有限公司，浙江杭州310015）

再熱器減溫器裂紋原因分析及處理

陳石凌
（杭州華電半山發(fā)電有限公司，浙江杭州310015）

再熱器減溫器的檢修是燃機(jī)例行檢修的重要環(huán)節(jié)，結(jié)合公司6臺(tái)燃機(jī)在檢修中發(fā)現(xiàn)的減溫器進(jìn)水管焊縫裂紋現(xiàn)象，通過分析再熱器減溫器焊縫產(chǎn)生裂紋、斷裂的原因，對(duì)其中一臺(tái)燃機(jī)的減溫器進(jìn)水管、套管結(jié)構(gòu)實(shí)施了改進(jìn)，經(jīng)過2年多時(shí)間的運(yùn)行，目前運(yùn)行狀況較好。

機(jī)械霧化減溫器；混合式減溫器；疲勞破壞；再熱器1、2連通管；裂紋

0 引言

華電半山發(fā)電有限公司燃機(jī)一期三臺(tái)9F390MW燃機(jī)于2005年投入商業(yè)運(yùn)營，余熱鍋爐再熱器采用了F I S HE R型號(hào)為D M A/AF-3D的機(jī)械霧化減溫器，二期三臺(tái)9F415MW燃機(jī)余熱鍋爐再熱器采用了F I S HE R型號(hào)為D M A/AF-2B-H T C的機(jī)械霧化減溫器，其中#7燃機(jī)于2012年11月份投入商業(yè)運(yùn)營。兩種型號(hào)的機(jī)械霧化減溫器均為同一系列混合式減溫器，在歷次檢修中均有發(fā)現(xiàn)減溫器進(jìn)水管焊口裂紋現(xiàn)象，2013年9月份#7燃機(jī)停機(jī)時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)再熱器減溫器噴頭部分甚至在運(yùn)行時(shí)已斷裂，掉入再熱器1、2連通管內(nèi)。以下對(duì)再熱器減溫器焊口產(chǎn)生裂紋、斷裂原因進(jìn)行分析，針對(duì)減溫器裂紋缺陷提出解決方案，對(duì)實(shí)施的方案進(jìn)行評(píng)估。

1 再熱器參數(shù)及減溫器缺陷情況

燃機(jī)一期三臺(tái)9F390 MW機(jī)組于2005年7月份投入商業(yè)運(yùn)營，每臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)約3000h。燃機(jī)二期三臺(tái)9F415MW機(jī)組首臺(tái)#7機(jī)組于2012年9月份投入商業(yè)運(yùn)營，機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)約1000h。一、二期余熱鍋爐再熱器參數(shù)見表1。

再熱器分為再熱器2（高溫段）和再熱器1（低溫段），分別布置在模塊1和模塊2中，中間設(shè)置噴水減溫器。來自中壓主蒸汽集箱的中壓蒸汽和來自汽機(jī)的冷再熱蒸汽混合后進(jìn)入再熱器1進(jìn)口集箱，上下兩次流經(jīng)4排鰭片管，進(jìn)入再熱器1出口集箱，再由連接管引至噴水減溫器，根據(jù)再熱主蒸汽集箱出口汽溫進(jìn)行噴水減溫后，進(jìn)入再熱器2進(jìn)口集箱，再一次流經(jīng)2排鰭片管進(jìn)入再熱器2出口集箱，由連接管引至由再熱主蒸汽集箱引出[1]。

2010年11月#2機(jī)組A級(jí)檢修期間對(duì)再熱器減溫水系統(tǒng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)減溫器噴頭焊口處有裂紋；2014年2月份#3機(jī)組C級(jí)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)減溫器噴頭處及套管焊接處2只焊口均存在裂紋（如圖2所示）；2013年9月份#7機(jī)組C級(jí)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)減溫器自噴頭處已完全斷裂，噴頭掉落再熱器1、2連通管內(nèi)。

表1 燃機(jī)一期再熱器參數(shù)

圖1 再熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 檢修中發(fā)現(xiàn)的裂紋位置

圖3 減溫器噴嘴

2 混合式噴水減溫器的工作原理

由中壓給水泵來的冷卻水經(jīng)過調(diào)節(jié)閥控制冷卻水水量，通過減溫器噴嘴（如圖3所示）形成霧狀液滴進(jìn)入再熱器1、2連通管，與再熱蒸汽迅速混合并汽化，達(dá)到控制再熱器氣溫的目的。調(diào)節(jié)閥對(duì)接受自溫度控制系統(tǒng)的信號(hào)做出響應(yīng)。水穿過減溫器的主管道流至噴嘴處，然后作為一條良好的噴射流排放到蒸汽管內(nèi)。噴頭內(nèi)的特定噴嘴適用于一系列指定的工作環(huán)境。水將通過復(fù)合角度孔流入渦流室，從而形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)水流。又由于該水流是強(qiáng)行通過噴霧環(huán)的，因此其速度將獲得進(jìn)一步增加。利用噴霧水壓力和螺旋彈簧所施加的預(yù)緊力之間的力量平衡從而獲得對(duì)蒸汽溫度控制效果[2]。

減溫器安裝在再熱器1、2連通管適當(dāng)位置上的“三通”管內(nèi)（如圖4所示）。溫度傳感器安裝在減溫器下游（減溫器到該傳感器的最小距離應(yīng)為其下游30f t）。該距離依蒸汽流量和所需噴水比例的變化而變化，溫度傳感器（T E）用來測(cè)量溫度的變化，并將信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的分布式控制系統(tǒng)（D C S）上（如圖5所示）。然后將控制器上的輸出信號(hào)發(fā)送到噴水控制閥的定位器上。而定位器的輸出信號(hào)則需經(jīng)由管道到達(dá)執(zhí)行器。再由執(zhí)行器對(duì)噴水控制閥的閥桿進(jìn)行控制，從而為減溫器提供所需的冷卻水，以便將溫度維持在設(shè)定點(diǎn)。

圖4 減溫器安裝位置

圖5 再熱器減溫水系統(tǒng)圖

圖6 減溫水量實(shí)時(shí)變化

3 減溫器產(chǎn)生裂紋原因分析及危害

在機(jī)組運(yùn)行過程中，由于通過再熱器減溫器外殼（聯(lián)箱）的蒸汽溫度較高，達(dá)到1005.6℉（541.5℃），表2工況1。當(dāng)減溫水沒有投入時(shí)，減溫水進(jìn)水管溫度與再熱蒸汽溫度相同，減溫器內(nèi)部噴水管與套管之間膨脹一致，進(jìn)水管與套管焊口之間未受力。如果投入減溫水后，進(jìn)水管溫度較低（149.56℃），表2工況1，而聯(lián)箱內(nèi)溫度較高（減溫器套管溫度接近聯(lián)箱溫度），根據(jù)熱脹冷縮原理，勢(shì)必造成進(jìn)水管與外部套管之間膨脹不一，焊口因內(nèi)外管子膨脹不一而受到拉力影響[3]。噴水管在工作過程中產(chǎn)生反作用力，噴水管焊口處不僅受到介質(zhì)的縱向拉力作用，還受到橫向的彎矩作用，而減溫水水調(diào)整門開度經(jīng)常變化，也就是減溫水量經(jīng)常變化特別是機(jī)組啟動(dòng)階段，減溫水量變化特別大，1個(gè)小時(shí)的波動(dòng)在0-6.2t/h（如圖6所示），因此就導(dǎo)致了噴水管在水平方向上產(chǎn)生振動(dòng)。就此可以得出結(jié)論，進(jìn)水管與套管之間的焊口裂紋是由于膨脹不一及振動(dòng)造成，而進(jìn)水管與噴頭之間焊口裂紋是由于進(jìn)水管的熱脹冷縮及振動(dòng)對(duì)焊口的應(yīng)力造成。

表2工況1，再熱器減溫器進(jìn)水管、套管管道熱伸長量差值ΔL為1.701mm，計(jì)算如下式:

式中ΔLjsg—進(jìn)水管在該工況時(shí)管道的膨脹線性長度，mm；

ΔLtg—套管在該工況時(shí)管道的膨脹線性長度，mm；

式中L1，L2—大法蘭至噴頭段進(jìn)水管、套管常溫狀態(tài)時(shí)的長度，分別取0.3m、0.295m；

表2 二期9F燃機(jī)再熱器減溫器及調(diào)節(jié)閥數(shù)據(jù)匯總

α1，α2—進(jìn)水管、套管在工況1時(shí)管道的熱膨脹系數(shù)，分別取13.65×10-6、14.5×10-6；

t2′，t2—進(jìn)水管、套管在工況1時(shí)管道的工作溫度，分別為149.56℃和541.5℃；

t1—進(jìn)水管、套管安裝時(shí)的環(huán)境溫度，20℃[4]。

減溫器進(jìn)水管運(yùn)行過程中，在溫差應(yīng)力和機(jī)械振動(dòng)的共同作用下，使焊口發(fā)生斷裂。焊口發(fā)生斷裂后，溫度較低的減溫水就會(huì)從泄漏處流到減溫器聯(lián)箱內(nèi)壁上，由于減溫器外殼（聯(lián)箱）內(nèi)壁溫度在不投減溫水時(shí)達(dá)到541.5℃，一旦減溫水流到內(nèi)壁上，就會(huì)使減溫器聯(lián)箱內(nèi)壁溫度急劇降低，使聯(lián)箱在溫差應(yīng)力的長期作用下，便產(chǎn)生了裂紋。

圖7 減溫器消缺、改進(jìn)后示意圖

4 再熱器減溫器缺陷處理情況

2013年9月份#7燃機(jī)停機(jī)時(shí)，技術(shù)人員對(duì)斷裂的噴頭及進(jìn)水管與套管的裂紋進(jìn)行了分析，根據(jù)進(jìn)水管與套管在運(yùn)行工況下不同的膨脹量，采取整根更換進(jìn)水管、套管加長以加強(qiáng)對(duì)進(jìn)水管的保護(hù)，去除套管與進(jìn)水管的焊口以利于進(jìn)水管與套管的自由膨脹，消除進(jìn)水管與套管之間焊口應(yīng)力的方案。具體處理方法如下:

（1）切割減溫器進(jìn)水管及套管焊口，抽出進(jìn)水管，取下進(jìn)水管法蘭及與再熱器1、2連通管連接的蒸汽法蘭，對(duì)法蘭需焊接處打磨、坡口處理；

（2）在不改變通徑的前提下增加進(jìn)水管、套管的壁厚以增加強(qiáng)度，套管長度增加（預(yù)留進(jìn)水管、套管熱膨脹差值約），進(jìn)水管為10Cr M o910、φ51×8合金鋼管；套管為304不銹鋼、φ60×4不銹鋼管；

（3）套管內(nèi)徑接近進(jìn)水管外徑，減少內(nèi)外管之間的間隙以增加進(jìn)水管的強(qiáng)度；

（4）取消套管與進(jìn)水管之間的焊口，消除內(nèi)外管之間應(yīng)膨脹不同所造成的應(yīng)力。

具體規(guī)格如圖7所示。

（5）按熱處理工藝和焊接工藝進(jìn)行焊接并經(jīng)金屬檢驗(yàn)合格。

用砂輪修磨切割處，要求：管端平整及30°坡口鈍邊1mm，噴頭管端去盡原焊縫及外倒角并要求磨出金屬光澤，同時(shí)要求焊接區(qū)周圍20mm范圍內(nèi)打磨，圓滑過渡；更換進(jìn)水管、套管用氬弧焊焊妥對(duì)接焊縫，要求焊前預(yù)熱250℃～350℃，層間溫度應(yīng)在預(yù)熱溫度控制范圍內(nèi)；G T A W+S M A W（手工鎢極氬弧焊打底手工電弧焊填充和蓋面的焊接工藝方法）:建議采用T I G-R40L焊絲，直徑2.5mm，電流100-140A；采用E6015-B3焊條手工電弧焊填充和蓋面，電弧焊的焊條，在焊前須經(jīng)350-400℃烘干1-2h，且在120℃保溫筒存放，隨用隨取；焊接完成后清理飛濺，加熱至300-350℃，保溫并緩冷的后熱措施進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，以消除或減少影響區(qū)出現(xiàn)的淬硬組織，增加塑性和韌性，有效地減少焊接殘余應(yīng)力，同時(shí)有利于擴(kuò)散氫的逸出，從而減少冷裂紋傾向；焊接后進(jìn)行高溫回火處理，改善組織結(jié)構(gòu)以提高熱強(qiáng)性、消除殘余應(yīng)力，同時(shí)可以消除擴(kuò)散氫含量。依照上述焊接工藝進(jìn)行焊接、熱處理后，焊口經(jīng)外觀檢查、超聲波檢查和著色滲透檢查以無裂紋為合格[5]。

5 改進(jìn)效果

2014年11月份#7燃機(jī)A級(jí)檢修時(shí)，對(duì)再熱器減溫器所有焊口進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)焊口有裂紋現(xiàn)象。如圖8所示。

圖8 #7機(jī)組再熱器減溫器檢查情況

6 結(jié)語

從#7機(jī)組再熱器減溫器改進(jìn)方案實(shí)施2年多的情況看，目前運(yùn)行狀況較好，改進(jìn)的最終效果如何還有待其余機(jī)組的進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1]杭州華電半山發(fā)電有限公司，9F燃機(jī)余熱鍋爐運(yùn)行規(guī)程[Z].

[2]杭州華電半山發(fā)電有限公司，F(xiàn) I S HE R減溫器使用說明書[Z].

[3]杭州鍋爐集團(tuán)有限公司，鍋爐設(shè)計(jì)說明書[Z].

[4]杭州華電半山發(fā)電有限公司，9F燃機(jī)余熱鍋爐熱力管道計(jì)算書[Z]. [5]杭州鍋爐集團(tuán)有限公司，合金鋼管的焊接工藝[Z].

Reason Analysis and Treatment for Cracking in Reheater Attemperator

CHEN Shi-ling
（Hangzhou Huadian Banshan Power Generation Co.，Ltd，Hangzhou 310015，China）

T h e in sp ection o f re h eater attem p erator i s an im p ortant p art o f routine maintenance o f g a s tur b ine. T h i s article d e s cri b e d t h e w ater inlet p i p e o f d e s u p er h eater w el d crac k ph enomenon f oun d in t h e routine maintenance o f 6 g a s tur b ine，an d analy z e d t h e rea s on o f d e s u p er h eater w el d crac k in g an d f racture.O n one o f t h e g a s tur b ine d e s u p er h eater，t h e inlet p i p e an d t h e h eat e x c h an g er ca s in g s tructure w ere im p ro v e d.A f ter more t h an 2 year s o f o p eration，it’s currently runnin g in g oo d con d ition.

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10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.004

T K229

B

2095-3429（2017）03-0014-04

2017-03-24

修回日期：2017-05-15

陳石凌（1966-），男，浙江上虞人，本科，工程師，從事電站鍋爐設(shè)備的安裝、檢修、調(diào)試等技術(shù)工作。