煙氣輪機進氣錐隔板焊縫開裂原因分析及解決措施

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(1.渤海裝備蘭州石油化工機械廠，甘肅 蘭州 730060；2.甘肅省煉化特種裝備工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730060)

煙氣輪機為催化裂化裝置中能量回收系統-主風機組的核心設備之一，其主要用途是對催化裂化裝置再生反應器反應生成的介質氣-高溫煙氣進行能量回收，輸出機械能驅動主風機組其他設備正常運行。國產YL型煙氣輪機功率涵蓋了2 000～33 000 kW共計7大類產品型號，能夠滿足國內市場絕大部分煉油廠催化裂化裝置實際生產需要。文中針對多年來各煉油廠煙氣輪機在使用1個周期后，返廠檢修過程中發現的部分煙機進氣錐隔板與錐體組焊焊縫出現開裂情況進行了深入探討。通過對焊縫材質、結構等技術細節的深入分析，從煙氣輪機結構設計方面，提出了優化設計方案。這種優化設計方案已成功應用于生產實踐，并取得了良好的使用效果，解決了原進氣錐隔板與錐體焊縫開裂的問題[1-3]。

1 煙氣輪機進氣錐隔板焊縫開裂情況

1.1 煙氣輪機進氣錐主要結構

煙氣輪機進氣錐(圖1)主要由法蘭Ⅰ、法蘭Ⅱ、筒體、錐體、靜葉及隔板等零件組成。進氣錐組件主要由不銹鋼板和部分鑄鋼件組焊后加工制造。進氣錐內部介質氣流道截面漸縮型結構設計可以讓工作介質高溫煙氣在流道內分布更加均勻，還可以進一步提升高溫煙氣流動的加速度，使進入煙氣輪機靜葉部位的高溫煙氣獲得最佳做功狀態[4]。

圖1 煙氣輪機進氣錐結構示意圖

1.2 煙氣輪機使用和檢修情況

煙氣輪機進氣錐在運行1個周期(約2～3 a)之后,一般需要進行常規檢修和維護，以保證設備能夠繼續安全平穩運行。進氣錐拆卸后需要返廠檢修，進行常規的外觀焊縫檢查、關鍵安裝部位尺寸檢查修復等工作。經檢查發現部分煙氣輪機進氣錐隔板與錐體之間的焊縫存在局部甚至全部開裂現象，見圖2。

一般此處開裂焊縫外觀寬度約2～3 mm，沿焊縫環向局部或者全部開裂。焊縫開裂位于煙氣輪機轉子組輪盤前側空腔，距離高速旋轉的輪盤前端面很近(10～15 mm)，如果煙氣輪機輪盤冷卻蒸汽大量從焊縫開裂部位發生跑損，將導致輪盤冷卻系統功能失效，動葉片根部榫齒部位及拉桿螺栓組件不能得到有效冷卻，致使這些零部件長期在高溫下工作，容易發生材料疲勞失效。此處焊縫開裂成為煙氣輪機安全平穩長周期運行的隱患。

圖2 進氣錐隔板焊縫開裂

2 煙氣輪機進氣錐隔板焊縫開裂分析

2.1 流道內溫度場及其影響

進氣錐高溫煙氣流道和隔板處于2個不同的工作溫度下。進氣錐連接著裝置高溫煙氣輸送管線，高溫煙氣在此通過靜葉加速后直接驅動動葉片輸出機械能，高溫煙氣工作溫度超過650 ℃。隔板位于輪盤前側冷卻蒸汽出口部位，工作溫度僅約250 ℃。煙氣輪機正常運行時，這2個部位存在的巨大溫差使隔板附近形成一個復雜的變化溫度場，溫度場內的溫度由中心向外圍呈逐漸增高趨勢。這種工況下零部件發生熱膨脹變形情況較為復雜，以1臺輪盤直徑900 mm系列的煙氣輪機型號為例，假設在此部位取A、B兩點(圖3)，A點位于高溫煙氣流道部位，其工作溫度650 ℃；B點位于隔板與錐體焊縫部位，其工作溫度250 ℃。

圖3 煙氣輪機進氣錐流道內A、B點位置

參考奧氏體不銹鋼線膨脹系數，熱膨脹量ΔH計算如下[5-6]。

ΔH=LtK

式中，ΔH為熱膨脹量，L為所取點位置距離進氣錐軸心距離，mm;t為所取點處工作溫度，℃。K為不銹鋼材質線膨脹系數，10-6/℃。將tA=650 ℃，tB=250 ℃，LA=450 mm，LB=240 mm，K650 ℃=18.86×10-6/℃，K250 ℃=17.41×10-6/℃代入上式，求得ΔHA=5.5 mm、ΔHB=1.0 mm。計算結果表明，煙氣輪機在正常工況下運行時，A、B兩處的熱膨脹量差別較大，據此推斷此處錐體和隔板受溫度場影響均會產生大小不一的熱膨脹量，造成錐體和隔板材料內部形成復雜的熱應力。B點處的焊縫受到由熱應力引發的拉應力作用，如果煙氣輪機運行過程中工作溫度發生改變，零部件材料內部熱應力也將發生改變，從而產生交變應力，在這種交變工況下產生的拉應力也將發生變化。長期處于這種復雜工況下，焊縫將會逐漸發生明顯的塑形變形進而在強度相對薄弱的錐體側熔合線處發生塑性斷裂，裂紋斷口不平齊，外觀呈現鋸齒形斷裂形狀[7-8]。

2.2 焊縫應力腐蝕及其發展

熱應力使進氣錐隔板處焊縫長期受拉應力作用，加之輪盤冷卻蒸汽中帶有少量氯離子等腐蝕介質，兩者的共同作用為焊縫發生應力腐蝕提供了條件。長期處于這種工況下，焊縫表面容易形成微小的裂紋源或者小腐蝕凹坑。這些細小的裂紋源和小腐蝕凹坑在持續存在的或者由于工況變化而改變的交變應力作用下繼續沿著垂直于拉應力的方向產生塑性變形，最終發生塑性斷裂，斷口部位宏觀上顯現出鋸齒形態[9-10]。

2.3 進氣錐隔板結構

隔板是煙氣輪機進氣錐的主要組件，原隔板(圖4)采用薄鋼板加工成一定錐形結構再與錐體組焊，當隔板受熱沿徑向發生熱膨脹，需要通過自身形狀發生變形吸收熱膨脹量，減少由此帶來的材料內部熱應力。原隔板設計錐形結構正是基于通過隔板沿徑向發生熱膨脹時，隔板自身可以在一定范圍內自由變形，從而吸收熱膨脹量，降低材料內部熱應力，來確保隔板和輪盤冷卻蒸汽機構正常運行。如果加工制造時隔板錐形結構不能得到有效保證，那么其設計功效就不能充分發揮，材料內部熱應力不能及時有效釋放，最終導致焊縫長期受力發生開裂。

圖4 進氣錐原隔板結構

另外煙氣輪機長期使用的情況下，隔板自身存在緩慢塑性變形，其吸收熱膨脹的能力會減弱，也會因焊縫受力導致慢慢發生開裂。原隔板結構已經不能夠完全滿足吸收熱應力的作用，無法保證煙氣輪機安全、平穩、長周期運行的要求。

2.4 母材材質焊接性能

煙氣輪機進氣錐隔板材質為0Cr18Ni9熱軋鋼板，錐體材質為鑄造ZG1Cr18Ni9不銹鋼，這兩種母材材質雖然相近但制造工藝不同。此處焊縫所選用的焊材是常規不銹鋼焊材。相對而言ZG1Cr18Ni9這種鑄造材質的不銹鋼焊接性能較前者差，其焊接過程中熔池內鋼水流動性不如前者良好，母材、焊材之間熔合性相對較弱。ZG1Cr18Ni9含碳量也較前者高，材料塑性相對較差、韌性較低。隔板與錐體焊縫靠近錐體這一側焊縫熔合線處吸收熱應力的能力相對薄弱，外力作用下焊縫會也會先沿著這一側熔合線發生開裂[11-13]。

3 煙氣輪機進氣錐隔板開裂解決措施

3.1 隔板結構改進

將原焊接結構改為無焊縫裝配式結構，隔板外圓均布膨脹槽，加工組裝用螺栓孔(與進氣錐組裝時直接用螺栓進行緊固)，改造后的新型防開裂隔板見圖5。新型隔板設計有膨脹槽，用于吸收隔板受熱產生的變形，使隔板內部熱應力得到有效釋放。同時，取消焊縫結構將不存在焊縫開裂后跑損冷卻蒸汽，從而降低輪盤冷卻效果的不利因素，有效保障了煙氣輪機安全、平穩、長周期運行[13]。

圖5 改造后新型防開裂隔板結構

3.2 支持錐結構改進

改進煙氣輪機進氣錐輪盤冷卻蒸汽接管與筒體焊接的支持錐結構，將支持錐垂直剖分截面結構由原三角形結構變更為梯形結構，采用薄板設計加工，見圖6。該結構在受到冷卻蒸汽管線附加力時，薄板設計加工的支持錐的剛性比原結構小很多，可隨管道附加力的變化發生一定量的變形，用于吸收部分管道附加力。此外，由于支持錐截面由原三角形結構改變為梯形結構，因而更加有利于吸收外力帶來的影響。這種結構的支持錐配合改進后新型防開裂隔板可有效保障輪盤冷卻蒸汽接管使用壽命，從而保障煙氣輪機轉子組的安全、平穩運行[14]。

圖6 改造后新型防開裂隔板結構

4 結語

煙氣輪機進氣錐新型防開裂隔板結構已成功應用于煙氣輪機，自2011年起投產的煙氣輪機現場運行平穩，徹底解決了原結構隔板焊縫開裂影響煙氣輪機運行的問題，在一定程度上提高了煙氣輪機的使用性能。目前在制造煙氣輪機時已大量投用該結構并成功獲得國家專利認證，使得國產煙氣輪機質量提升邁上了一個新的臺階[15]。