某660 MW超超臨界機(jī)組熱段疏水管道接管座的開(kāi)裂原因

劉 明，劉 奇，白 佳，陳 銳

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.湖北華電江陵發(fā)電有限公司，荊州 434000)

0 引 言

DL/T 5054-2016明確規(guī)定：高溫蒸汽管道應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢貌贾檬杷c(diǎn)，使管道系統(tǒng)中的冷凝水更快排出，避免冷凝水結(jié)存導(dǎo)致的水擊、水錘等故障；一般需在閥門(mén)前后、管道低位點(diǎn)、蒸汽不經(jīng)常流通的管道死端等容易積水的位置設(shè)置疏水點(diǎn)。疏水管道一般通過(guò)接管座連接在主管道底部，常見(jiàn)的接管座形式有插入式和安放式。疏水管道接管座處經(jīng)常由于熱疲勞[1-2]、應(yīng)力腐蝕[3]、焊接缺陷[4]、管道振動(dòng)[5]、熱脹應(yīng)力過(guò)大[6]等產(chǎn)生裂紋，甚至造成蒸汽泄漏、爆管等嚴(yán)重危及機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的故障；而接管座區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢測(cè)困難[7]，進(jìn)一步提升了故障發(fā)生的概率。

某火電廠新建的2×660 MW超超臨界機(jī)組，采用單爐膛、一次中間再熱超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，在機(jī)組正式投運(yùn)后不久，其再熱熱段管道爐左側(cè)堵閥前疏水管道接管座處出現(xiàn)蒸汽泄漏現(xiàn)象。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，接管座與主管連接焊縫下邊緣存在貫通裂紋。現(xiàn)場(chǎng)疏水管道布置如圖1(a)所示，左右側(cè)熱段主管的閥前疏水在爐左側(cè)匯聚后一起通向疏水集箱，在匯聚三通前布置有1#固定支架進(jìn)行支撐。1#固定支架為現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易制作的管卡結(jié)構(gòu)(Z7型)[8]，管卡螺母擰死，限制了該點(diǎn)管道的三向線位移。該處接管座結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，在主管底部開(kāi)有直徑25.8 mm的疏水通孔，并焊接在內(nèi)孔徑一致的安放式接管座上。主管、接管座和疏水主管的材料均為P92鋼(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM A335)，設(shè)計(jì)壓力為6.56 MPa，設(shè)計(jì)溫度為618 ℃，規(guī)格分別為φ682 mm×52 mm，φ37.4 mm×5.8 mm，φ33.4 mm×3.8 mm。

該機(jī)組主汽、熱段管道上還有類(lèi)似的多組疏水管道及取樣管道，為避免類(lèi)似故障的再次發(fā)生，明確本次開(kāi)裂泄漏的原因，作者對(duì)該處疏水接管座進(jìn)行了理化分析及受力仿真分析。

圖1 爐左側(cè)熱段疏水管道布置示意和接管座結(jié)構(gòu)

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 化學(xué)成分

現(xiàn)場(chǎng)采用ARL8860型直讀式光譜儀對(duì)熱段主管、接管座、疏水管進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。各部件的化學(xué)成分均滿(mǎn)足GB/T 5310-2017中P92鋼的成分要求，如表1所示。

表1 不同部件化學(xué)成分測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

注：現(xiàn)場(chǎng)直讀式光譜檢測(cè)主要用于材料復(fù)核，屬于半定量檢測(cè)，在此只給出主要元素的檢測(cè)結(jié)果。

1.2 硬 度

采用HT-2000a型里氏硬度計(jì)對(duì)熱段主管母材、接管座母材及其連接焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果分別為215，202，258 HB。DL/T 438-2016規(guī)定，P92鋼及其焊縫的硬度應(yīng)分別在180～250 HB，185～270 HB范圍內(nèi)。可見(jiàn)，熱段主管和接管座母材及其連接焊縫均滿(mǎn)足硬度要求。

1.3 顯微組織

在接管座母材及其與熱段主管連接焊縫較為平整處取樣，經(jīng)磨拋并用氯化鐵鹽酸溶液腐蝕后，在DMI5000M型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。由圖2可見(jiàn)，接管座母材及連接焊縫的顯微組織均為典型的回火馬氏體組織，組織正常。

2 結(jié)構(gòu)受力有限元仿真

2.1 計(jì)算模型

圖2 接管座母材及其與熱段主管連接焊縫的顯微組織

圖3 三維有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

考慮到開(kāi)裂位置在接管座焊縫處，附近結(jié)構(gòu)不連續(xù)、尺寸變化大，采用管道分析中常用的梁?jiǎn)卧Ｐ蚚9]無(wú)法得到具體的應(yīng)力分布情況，同時(shí)存在較大的計(jì)算偏差，因此采用三維實(shí)體單元進(jìn)行有限元仿真。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)管道布置情況建立三維有限元模型，如圖3所示。由于熱段主管的剛度遠(yuǎn)大于接管座及疏水管，因此只建立疏水孔附近的部分主管模型；而由于疏水管道1#支撐為固定點(diǎn)支撐，疏水管道模型截止于該處。整個(gè)模型共劃分單元數(shù)10 899個(gè)，全部采用六面體單元，接管座處網(wǎng)格加密。

2.2 材料參數(shù)

該結(jié)構(gòu)的熱態(tài)工作溫度較高，因此采用熱固耦合分析法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，重點(diǎn)研究運(yùn)行狀態(tài)下的接管座受力情況。采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。由于P92鋼焊縫和母材的高溫物理性能基本一致[10]，故在此模型中均輸入P92鋼的物理和力學(xué)性能參數(shù)；P92鋼的密度取7 850 kg·m-3，泊松比取0.3，其他物理和力學(xué)性能參數(shù)(20～650 ℃)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

2.3 工況及邊界條件

針對(duì)管道冷、熱兩種典型工作狀態(tài)，在計(jì)算過(guò)程中設(shè)定了兩個(gè)分析步，Step1分析步模擬管道冷態(tài)(溫度20 ℃)，Step2分析步模擬熱態(tài)(設(shè)計(jì)溫度618 ℃)。為便于位移邊界條件的添加[12]，在有限元模型的兩端分別建立參考點(diǎn)RP1和RP2(詳見(jiàn)圖3)：RP1為熱段主管中心點(diǎn)，RP2為疏水管模型截止處端面中心點(diǎn)。RP1點(diǎn)和熱段主管內(nèi)表面建立耦合連接，RP2點(diǎn)和對(duì)應(yīng)疏水管端面建立耦合連接，這樣端點(diǎn)位移就可以直接添加在RP1點(diǎn)和RP2點(diǎn)上。

疏水管是在主管安裝結(jié)束后才進(jìn)行安裝的，所以冷態(tài)模擬時(shí)的位移邊界條件均為0。查閱熱段主管的熱膨脹位移計(jì)算書(shū)，并現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)熱段管膨脹位移，將熱段主管對(duì)應(yīng)位置的熱膨脹位移作為熱態(tài)模擬時(shí)的位移邊界條件添加在RP1點(diǎn)上。具體位移數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2，表中：Dx，Dy，Dz為3個(gè)方向上的線位移(距離上的位移)；Rx，Ry，Rz為3個(gè)方向上的角位移(相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度)。

根據(jù)模型實(shí)際工作條件，設(shè)定模型初始溫度為常溫20 ℃，在Step1分析步(冷態(tài))施加結(jié)構(gòu)重力載荷，并保持模型溫度為20 ℃；在Step2分析步(熱態(tài))繼續(xù)施加結(jié)構(gòu)重力載荷，模型溫度升高至設(shè)計(jì)使用溫度618 ℃，并在模型內(nèi)表面(含主管和疏水管)施加內(nèi)壓力6.56 MPa。

表2 RP1點(diǎn)和RP2點(diǎn)的位移邊界條件

2.4 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，冷態(tài)時(shí)模型整體應(yīng)力水平很低，與實(shí)際工作狀態(tài)相符，熱態(tài)時(shí)模型應(yīng)力水平顯著提高，高應(yīng)力區(qū)域位于接管座。由圖4可以看出，x，y方向及-x，-y方向接管座外表面的應(yīng)力水平均較高，最大應(yīng)力達(dá)到494.9 MPa，出現(xiàn)在-x，-y方向的接管座與主管連接焊縫下邊緣。

由圖5可知，-x，-y方向接管座外表面承受較大的拉應(yīng)力作用，x，y方向接管座外表面則主要承受壓應(yīng)力。因此，-x，-y方向接管座外表面為危險(xiǎn)區(qū)域。

圖4 運(yùn)行熱態(tài)下接管座區(qū)域的Mises應(yīng)力分布

圖5 運(yùn)行熱態(tài)下接管座區(qū)域的最大和最小主應(yīng)力分布

3 開(kāi)裂原因及改進(jìn)措施

3.1 開(kāi)裂原因

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，該接管座區(qū)域(含附近熱段主管及連接的疏水管)化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)要求，硬度和顯微組織均正常，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求。查閱基建階段的無(wú)損檢測(cè)報(bào)告，該接管座狀態(tài)正常，無(wú)初始焊接缺陷。由于機(jī)組正式投運(yùn)不久，基本可以排除熱疲勞和腐蝕因素的影響。

由有限元仿真結(jié)果可知，運(yùn)行熱態(tài)下接管座區(qū)域的應(yīng)力水平普遍較高。P92鋼的常溫屈服強(qiáng)度應(yīng)不低于440 MPa，抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于620 MPa；高溫618 ℃下的屈服強(qiáng)度約260 MPa，抗拉強(qiáng)度約300 MPa[13]。熱態(tài)工況下-x，-y方向接管座外表面承受的拉應(yīng)力普遍大于材料屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在最薄弱部位(也是應(yīng)力最大位置)——焊縫下邊緣處開(kāi)裂。

貫通裂紋位于-x，-y方向焊縫下邊緣處，如圖6所示。實(shí)際開(kāi)裂位置與仿真計(jì)算最大拉應(yīng)力位置一致，因此可以判定該裂紋是運(yùn)行狀態(tài)下拉應(yīng)力超標(biāo)導(dǎo)致的。主要原因是疏水管吸收變形能力有限且在端口附加位移的作用下其熱膨脹受阻，導(dǎo)致接管座區(qū)域產(chǎn)生較高拉應(yīng)力；對(duì)應(yīng)方位的局部拉應(yīng)力超標(biāo)，導(dǎo)致裂紋萌生并不斷擴(kuò)展。

圖6 接管座焊縫滲透檢測(cè)結(jié)果

3.2 改進(jìn)處理措施

火電廠汽水管道在布置時(shí)應(yīng)充分利用管道本身柔性的自補(bǔ)償來(lái)補(bǔ)償管道的熱膨脹，降低熱脹應(yīng)力。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布置條件，通過(guò)加裝U形膨脹彎[14]來(lái)承受管道熱脹位移。更改后的疏水管布置如圖7所示：疏水匯聚三通沿-y方向移動(dòng)約1.1 m，以便留出足夠的長(zhǎng)度空間布置U形膨脹彎；1#固定支架支撐的位置前移，并將1#固定支架的管卡螺母松弛，解除其y方向的限制，僅保持x和z方向的限位作用；在U形膨脹彎頂部布置2#滑動(dòng)支架，起到豎直向支撐作用，而x，y方向位移自由。

圖7 加裝U形膨脹彎后爐左側(cè)熱段疏水管布置示意

采用管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II對(duì)更改后的整個(gè)熱段疏水管簡(jiǎn)化梁模型進(jìn)行應(yīng)力校核，采用一次應(yīng)力和二次應(yīng)力指標(biāo)評(píng)判結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。其中：一次應(yīng)力是指管道承受自重、內(nèi)壓等持續(xù)載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，是平衡外加載荷所需的應(yīng)力，隨外加載荷的增加而增加；二次應(yīng)力是指管道由于熱脹冷縮、端點(diǎn)位移等位移載荷的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力，不直接與外加載荷平衡，而是為滿(mǎn)足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所需的應(yīng)力[9]。計(jì)算得到熱段疏水管結(jié)構(gòu)的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分別為24.1，64.5 MPa，均低于對(duì)應(yīng)的應(yīng)力許用值(一次應(yīng)力許用值為59.7 MPa，二次應(yīng)力許用值為224.2 MPa)。這說(shuō)明管系整體應(yīng)力水平較低，滿(mǎn)足安全運(yùn)行的要求。按照上述方案重新布置疏水管后，機(jī)組已運(yùn)行1 a左右，狀態(tài)正常。

一次應(yīng)力、二次應(yīng)力評(píng)判指標(biāo)源于很早的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，是受當(dāng)時(shí)計(jì)算條件所限而人為地根據(jù)應(yīng)力的起因和性質(zhì)將其進(jìn)行拆分、簡(jiǎn)化并分別評(píng)判，從而實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算分析而提出的。這種方法具有建模快、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以大規(guī)模應(yīng)用于熱力管道的整體設(shè)計(jì)分析，但在進(jìn)行失效分析時(shí)，不能給出局部結(jié)構(gòu)特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的詳細(xì)應(yīng)力分布狀態(tài)。有限元仿真方法則可以給出局部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)應(yīng)力分布情況，明確結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，從而為失效分析工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[15]，作者在此進(jìn)行了有益嘗試。

4 結(jié)論及措施

(1) 該熱段疏水管接管座的化學(xué)成分、硬度、顯微組織均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，熱固耦合有限元方法仿真得到接管座運(yùn)行熱態(tài)時(shí)的最大應(yīng)力位置與實(shí)際開(kāi)裂位置吻合；其開(kāi)裂是由于疏水管吸收變形能力有限，且管道布置不合理造成管道熱膨脹受阻，使得接管座區(qū)域產(chǎn)生較高拉應(yīng)力而導(dǎo)致的。

(2) 通過(guò)加裝U形膨脹彎增強(qiáng)疏水管承受熱脹變形的能力，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，以解決該開(kāi)裂故障，改進(jìn)后的疏水管道接座管運(yùn)行1 a未發(fā)生開(kāi)裂故障；在后續(xù)類(lèi)似疏水管的布置中，應(yīng)充分考慮主管的端口熱位移及疏水管自身的熱膨脹，保證管道具有足夠的柔性，從而確保管系的安全性。