電站鍋爐保護套管的設計、使用與焊接修復

朱洪波

本鋼集團公司規劃發展部 遼寧本溪 117021

1 序言

電站鍋爐中的某些部件，需要承受不同溫度的水或蒸汽等介質在其中混合，以達到調節介質溫度、保證爐水或蒸汽正常循環的目的。為了避免介質溫差產生的熱應力直接作用于部件本體上，通常在不同溫度介質混合區域采用保護套管的結構[1-3]，以使熱應力作用于套管的內管上。GB/T 16507.3—2013 《水管鍋爐 第3部分：結構設計》也明確要求，“凡能夠引起鍋筒筒壁局部熱疲勞的連接管（如給水管、加藥管等），在穿過鍋筒筒壁處應加裝套管”。實際上，除了鍋筒（汽包），鍋爐其他部件也存在由于不同溫度介質混合導致的局部熱疲勞。但是，對于電站鍋爐，具體哪些部件需要采用保護套管，相關標準并沒有明確或具體規定。此外，對于設計有保護套管的鍋爐部件，如何進行使用管理，也僅見零星的工程事例，還未見系統的研究報道。本文在對電站鍋爐保護套管載荷特點與失效模式分析的基礎上，提出了保護套管的設計原則，歸納了保護套管在檢驗、修復、改造等方面的使用管理，并用工程實例加以說明。

2 保護套管載荷特點與失效模式分析

不同溫度的流體混合時，部件的該區域會產生一定的熱應力，相關文獻[4-5]詳細表述了不同結構的熱應力大小與分布的數學描述。從這些描述中可看出，熱應力的大小主要與部件結構、尺寸、流體之間的溫差等因素相關。結構拘束越大、壁厚越厚、流體之間的溫差越大，則該區域產生的熱應力越大；對于厚壁部件，熱應力可以達到或接近材料屈服點。對于電站鍋爐部件，這種介質混合在運行中周期性發生，這就形成了交變疲勞載荷，從而使部件局部區域產生熱疲勞損傷。

為了避免這種損傷，一種方法是減少部件壁厚或者減少不同介質溫差，另一種方法是采用套管結構。前一種方法通常因結構或運行要求無法在工程中應用。而采用套管結構，可以使不同溫度介質的混合區域遠離部件本體，熱應力產生于套管的管座和內管上。由于套管管座和內管均可以采用薄壁結構，熱應力大為降低，且熱疲勞損傷或破壞發生后也便于修復或更換。

對于熱疲勞損傷失效特點，人們進行了大量研究，比較充分掌握了其失效特點[6-7]，例如：裂紋通常萌生于部件表面應力集中處，如溝槽、管孔邊緣、焊接接頭焊腳等結構不連續處或接頭未焊透、咬邊等缺陷處。當結構內部存在如裂紋、焊縫夾渣等缺陷時，熱疲勞裂紋也可能從這些缺陷處萌生。圖1為某電站汽包給水管套管管孔內壁的裂紋，裂紋位于應力集中最強烈的管孔邊緣。套管管孔周圍存在多條熱疲勞裂紋，呈放射狀分布。

裂紋擴展速率受熱應力控制。當存在較大溫度梯度時，通常僅1條或幾條裂紋擴展形成主裂紋；當溫度梯度小，多條裂紋同時擴展，常常形成龜裂狀。

圖1 某汽包給水管套管管孔裂紋

3 保護套管的設計、使用與修復改造

根據保護套管的失效模式，分析工程中出現的失效事例，認為套管設計應遵循以下原則：①存在不同溫度介質混合的區域，均需要設計套管結構，具體包括如鍋爐汽包再循環管、給水管、加藥管、平衡管、過熱和再熱系統的減溫器噴水管等。②套管管座宜采用與本體相同或相近成分的材質，以避免異種材質導致的附加熱應力。③套管管座宜采用焊透結構，避免未焊透結構的應力集中加速熱疲勞裂紋的萌生。

套管內管伸入長度，應能保證不同溫度介質混合的區域盡可能遠離部件本體。圖2為某汽包省煤器再循環管套管管孔裂紋，該套管內管尺寸較短，使再循環水與汽包水混合區域近汽包內壁，導致管孔區域產生了嚴重的熱疲勞損傷。

圖2 某汽包省煤器再循環管套管管孔裂紋

對于檢查中發現缺陷的套管，可以通過下列方法進行修復。

1）打磨清除。對于較淺的熱疲勞裂紋，通過機械打磨的方法消除。打磨后剩余壁厚滿足設計最小壁厚要求，可以不進行補焊。

2）焊接修復。若裂紋打磨后，最小壁厚已不能滿足強度要求，可以采用補焊的方法修復。由于修復區域存在熱疲勞損傷，因此修復時需要考慮焊后熱處理對材料的進一步損傷。例如，打磨深度<10.5mm時，可以采用回火焊道技術修復，以省去焊后熱處理[8-10]。

3）擴孔修復。若套管接管座區域產生了嚴重的熱疲勞損傷，可以采用擴孔方法，清除已嚴重老化的管孔區域，擴大原管孔，重新設計管座。

4）加裝套管。對于原設計無套管但存在不同溫度介質混合的區域，可以加裝套管。

4 保護套管焊接修復工程實例

（1）缺陷情況 某發電鍋爐運行27年后，汽包上的省煤器再循環管套管管孔產生周向與內壁裂紋，其形貌如圖3所示。管孔周向裂紋呈放射狀分布，最長120mm，部分放射狀裂紋之間已有二次裂紋連接，形成龜裂；管孔內壁方向裂紋呈平行狀分布，彼此之間未形成連接，但其中一條裂紋已貫穿套管管接頭角焊縫，導致汽包泄漏。

圖3 某汽包省煤器再循環管管孔裂紋

（2）缺陷原因分析 根據設計，該省煤器再循環管管接頭應由套管加內管構成。但泄漏后檢查時發現，管接頭內管缺失。機組長期運行過程中，在鍋爐啟動和向鍋爐補水以及鍋爐正常運行給水時，難以完全避免一部分給水不經過省煤器而直接經再循環管進入汽包。由于給水溫度為150～250℃，而汽包的設計工作溫度為320℃，二者溫差較大，因此在再循環管孔處產生較大的溫差應力，并且隨著運行工況的變化應力發生變化，即形成交變應力。由于內管的缺失，此交變應力直接作用于汽包筒壁上。長期交變應力作用下，裂紋首先在筒壁的應力集中最為強烈部位萌生疲勞裂紋，并逐漸沿焊縫厚度、管孔內壁和管孔方向擴展，并最終導致貫穿汽包管壁或角焊縫而泄漏。

（3）焊接修復過程與工藝 為保證管孔裂紋清除干凈，決定將再循環管管孔擴大至113mm，并據此重新設計套管結構與尺寸，新管座設計圖樣如圖4所示。具體修復過程與工藝簡述如下。

1）缺陷清除。采用機械打磨的方式，清除已發現缺陷，并將套管管孔擴大至113mm。對于擴孔至113mm后仍存在的裂紋，采用打磨的方法清除，并通過滲透檢測確認裂紋清除完全。

2）焊前預熱。施焊前需對汽包側進行預熱，預熱溫度180~200℃，恒溫時間1h。預熱采用電加熱，將加熱片安裝于汽包壁內壁，控溫熱電偶緊貼安裝于管孔的上方。

3）凹坑補焊。采用氬弧焊打底、焊條電弧焊填充和蓋面的焊接方法，對打磨凹坑進行補焊。補焊采用TIG-J50焊絲和J507RH焊條，補焊參數見表1。

表1 汽包筒體與套管角焊縫焊接參數

4）套管管座定位焊。分別定位角焊縫側和對接接頭側。定位焊位置沿圓周平均焊接三點。定位焊完成后檢查有無錯口、對口間隙是否合適、定位焊縫有無缺陷，確認無誤后再進行后續工作。

5）套管焊接。采用手工鎢極氬弧焊＋焊條電弧焊，多層多道焊接。氬弧焊打底兩層，打底焊接時，設專人在焊接對面觀察，防止打底焊縫出現未焊透、成形不良等缺陷。套管角焊縫的焊接參數見表1。

6）焊后熱處理。用加熱繩對角焊縫進行局部熱處理。以角焊縫為中心，加熱器整圈布置，升降溫速度55℃/h，保溫溫度580℃，保溫時間120min。

圖4 將圖3中缺陷清除并擴孔后的新套管結構

（4）運行后的檢驗 運行兩年后檢驗，修復區域完好。

5 結束語

對于電站鍋爐中存在不同溫度介質混合的部件，其上應設置保護套管，以避免部件上產生較大熱應力，導致其局部區域產生熱疲勞損傷和破壞，具體如鍋爐汽包給水管、再循環管、平衡容器管、過熱器和減溫器聯箱減溫器噴水管等。同時套管應具有合理的結構。

對于套管結構，應隨設備檢修周期進行檢查，檢查項目以宏觀檢測和表面無損檢測為主，檢查重點部件為應力集中區域，如孔洞、溝槽、焊接接頭等結構不連續處或裂紋、夾渣等焊接缺陷處。

對于運行中產生缺陷的套管，根據缺陷的嚴重程度不同，可以采用打磨、焊補、擴孔、加裝套管等方法進行修復處理。