某電廠輔汽聯箱焊縫失效分析及處理

葉飛 張越

摘 要 某電廠的輔汽聯箱出現了焊縫頻繁開裂、管道翹曲的失效現象，本文采用宏觀形貌分析、化學成分分析、金相分析以及維氏硬度分析等方法對焊縫開裂的原因進行了檢測，并通過結合有限元仿真分析來表明管道翹曲引起了焊縫應力異常，進而導致管道內壁角焊縫熱影響區出現穿晶型的裂紋。為了降低運行和檢修風險，提高經濟效應，本文對該輔汽聯箱進行了改造處理。

關鍵詞 輔汽聯箱;管道焊縫;裂紋分析;結構改造

前言

作為輸送特殊介質的特種設備，壓力管道的安全性是至關重要的。某火力發電廠的600 MW機組，其鍋爐的型號為HG-1900/25.4-YM4，經檢查發現該機組輔汽聯箱四個鍛制三通的環形管道焊縫在運行過程中出現頻繁開裂漏氣的現象，嚴重威脅了該機組長期運行，具有較大的安全風險。

1理化性能分析

依據《容檢規》的規定，當檢驗發現焊縫表面裂紋時，若需要進行焊縫埋藏缺陷部位的檢測，應對樣品進行擴展檢驗項目[1-3]。因此，我們首先對焊縫進行了以下的理化分析：

1.1 宏觀形貌分析

焊縫的宏觀形貌如圖1所示。由圖可見：樣品裂紋位于焊縫與母材結合處，呈環向開裂，裂紋在內壁長約10 mm，內壁其他部位宏觀均未見裂紋缺陷;外壁焊縫處進行過補焊，未見明顯缺陷。

1.2 化學成分分析

按照GB/T 223-2000《鋼鐵及合金化學分析方法系列國家標準》對管樣進行化學成分分析，結果如表1所示。可以看出管樣的化學成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對20號鋼管的要求。

1.3 金相分析

樣品內外壁（去除補焊塊）及組織的金相形貌如圖2所示，結果表明樣品從管道內壁角焊縫熱影響區開裂，裂紋沿壁厚方向向管道外壁和環向擴展;此外，樣品焊縫部位存在多處空洞及裂紋，裂紋呈穿晶型，主裂口附近存在二次裂紋，但樣品的焊縫、熱影響區和母材組織均未見異常。

1.4 維氏硬度分析

我們按照GB/T 4340.1在HVS-50型維氏硬度機上對金相樣進行維氏硬度試驗，試驗載荷為30 kgf，保載時間12秒，結果如表2所示。可以看出，管道樣品的母材硬度符合DL/T 438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》對20鋼管硬度126～168 HV的要求，環焊縫處硬度符合DL/T 869-2012《火力發電廠焊接技術規程》對焊縫的要求，即同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度，不超過母材布氏硬度值加100 HB，且合金總含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于284 HV。

2失效原因分析

經過詳細分析，輔汽聯箱焊縫頻繁開裂的原因主要為以下三點：

（1）輔汽聯箱內長期存在積水，管道內部與蒸汽接觸部分和與積水接觸部分溫度不均，使管道發生翹曲，進而使焊縫應力異常，母管及其附件疲勞損壞，如圖3（a）所示。

為此，我們采用有限元軟件ABAQUS對20號鋼管Φ377×9進行了失效仿真模擬，材料模型采用碳素鋼彈塑性模型[4]，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，密度7.8 g/cm3，屈服應力設為206 MPa，熱傳導系數為1.2e-7;對鋼管底部外側進行固支約束，依據現場實驗及測定設定積水區域鋼管溫度為180?C，其余區域鋼管溫度范圍為180～340?C，鋼管頂部區域溫度為340?C。可以看出，如圖3（b）所示，鋼管由于溫度不均出現翹曲變形，與實際觀察情況相吻合。

（2）如圖4（a）所示，輔汽聯箱從#01固定支架至#06滑動支架間的水平距離約25 m，在較長的管線上布置了4組導向支架、2組滑動支架會造成管線剛度較大而柔性不足的結構變形不協調現象。

（3）管線接口較多，輔汽聯箱水平段有6個三通管件，且各個管端對輔汽聯箱均有推力，當幾個管端對輔汽聯箱的推力不協調時容易使輔汽聯箱發生扭曲變形，導致結構的受損和功能失效。

3改造處理

為了解決輔汽聯箱頻繁開裂的問題，降低運行和檢修風險，提高經濟效益，如圖4（b）所示，結合管線結構布置所存在的缺點和安全隱患，我們對輔汽聯箱進行了以下改造：

（1）在輔汽聯箱兩處最低點增加四路自動疏疏水管路來防止聯箱內積水，疏水排入爐主蒸汽吹灰疏水母管后，再排入疏水擴容器。

（2）在輔汽聯箱上增加一個Π型彎管，并在Π型彎管兩側直管段處加裝框式導向支架，利用Π型彎管吸收水平段熱位移來增加管線的柔性。

4結束語

本文采用宏觀形貌分析、化學成分分析、金相分析以及維氏硬度分析等方法，本文針對某電廠輔汽聯箱焊縫頻繁開裂進行失效原因檢測及有限元模型分析，發現管道溫度不均引起焊縫應力異常，進而導致管道內壁角焊縫熱影響區出現了穿晶型的裂紋。通過對輔汽聯箱進行增加自動疏水管道和Π型彎管等結構改造處理，以確保該機組的安全穩定運行。

參考文獻

[1] 董志蓮，張樹基.鍋爐主汽集汽聯箱管座缺陷的焊接修復 [J]. 華北電力技術，1997（8）：60-62.

[2] 陳洪君.中溫中壓鍋爐集汽聯箱管座角焊縫裂紋分析 [J]. 鍋爐制造，2001（3）：21-23.

[3] 鄧輝.高溫再熱器出口聯箱管座角焊縫開裂原因分析 [J]. 華電技術，2019（8）：74-77，80.

[4] 金朝陽，崔振山.低碳鋼熱塑性成形過程本構模型 [J]. 上海交通大學學報，2010（4）：6-10，15.

作者簡介

葉飛（1983-），男;畢業院校：江蘇大學，學歷：本科，職稱：工程師;現就職單位：浙江浙能嘉興發電有限公司，研究方向：電廠熱能動力工程。