末過入口導管排空氣管座裂紋產生原因分析及處理

劉 斌

（元寶山發電有限責任公司，內蒙古 赤峰 024070）

元寶山發電有限責任公司4號鍋爐是采用美國燃燒工程公司（CE）的引進技術設計和制造的。 該鍋爐為亞臨界壓力、一次中間再熱、控制循環汽包爐，是國產經典π形鍋爐。鍋爐的主要聯箱、導管布置于爐頂頂棚聯箱內，管道上大多配有排空氣管座、溫度壓力測點管座、取樣或疏水管座，管座上均存在角焊縫。在機組運行過程中，原始焊接缺陷、管路系統和管座結構設計不合理，將造成管座角焊縫漏泄。發生漏泄，歸根結底都屬于應力破壞導致的故障。漏泄會導致機組工作不正常，使企業蒙受損失。

1 裂紋檢查

在2014年3月15日檢修時，發現爐頂東北角右側再熱器出口管下方有漏泄聲。在停爐檢查漏點時，發現在右側末級過熱器入口聯箱導管排空氣管座焊縫焊趾處有裂紋并導致漏泄。漏點位于爐頂，相關技術參數如下：滿負荷運行壓力為18.36MPa，溫度為 511℃；母管規格為φ559×98，材質為A335P22；管接頭規格為φ32×5，材質為12Gr1MoV；總長度為150mm。將漏泄的管接頭割開后，取樣并進行金相檢驗，發現該管座焊口處管材存在明顯的珠光體球化（5級）現象。管接頭焊接結構如圖1所示。

圖1 管接頭焊接結構

2 裂紋產生原因分析

（1）焊接結構形式不合理，是造成焊接質量不達標、管座角焊縫開裂漏泄的根本原因。將管接頭割除后，對其結構進行了分析。由圖1可知管接頭的焊接結構。由于不能保證根部焊透，因此將焊接結構設計成這種形式，不適用于加強型管座。在機組運行過程中，由于不能焊透的焊縫多存在應力集中的問題，使其承載能力低，因此容易導致焊縫開裂泄露。類似結構還存在于該機組省煤器U型管疏水管座、熱再排空氣管管座中，并且也曾發生過漏泄。由于采用此種結構造成焊縫開裂的現象在火電廠中的高溫承壓設備上時有發生，在現行焊接規程中已明確規定不得采用此種結構，如：在《火力發電廠金屬技術監督規程》中，規定“不得采用此種焊接形式”[1]；在《水管鍋爐受壓元件強度計算GB9222-1988》中，將此結構作為非加強結構的管接頭形式[2]。

（2）排空氣管的管路設計存在缺陷。彎管及后段管道全部埋在頂棚保溫泥內，幾乎沒有攢動量，使得在機組運行過程中對母管熱膨脹位移的補償能力不足。管座本身就屬于承壓部件，承受一次應力。在機組運行過程中，管座因結構膨脹受阻而造成二次應力，使管座角焊縫焊趾處更加容易開裂。

（3）經檢查發現，管座角焊縫裂紋位于焊縫焊趾處，裂紋尺寸為約1/3圓周。裂紋的位置處于熱影響區中的融合區。由于該區的機械性能最差，因此熱影響區中的融合區是容易產生裂紋的區域。

（4）在異種鋼焊接過程中會存在焊接殘余應力。存在這種焊接殘余應力，不利于保證機組的工作性能，容易導致焊縫發生斷裂[3]。

3 修復方案

3.1 管座改型

原管接頭焊接結構不屬于加強型管座結構。采用此種焊接形式，焊縫的承載能力低。由于管座焊縫處于承壓部件的應力集中區，因此焊縫承受的應力較大。為保證管座有足夠的強度，能夠承載較大的應力，應選用加厚型漸縮管座（即增加壁厚且使壁厚尺寸漸變）。選用12Gr1MoV（鍛件）為管座材質，改型后的加強管座如圖2所示。

圖2 加強管座

改型后的焊接仍屬異種鋼焊接，焊接工藝的具體技術要求如下：在焊接對口前，應將坡口表面及其附近10～15mm區域內外壁的油、漆、垢、銹等清理干凈直至能看到金屬光澤；采用氬弧焊（直流正接）打底，手工電弧焊（直流正接）蓋面；焊絲材料為R31,焊條為R307 Φ3.2；氬弧焊的焊接電流為90～110A，電弧焊的焊接電流為95～120 A；氬弧焊打底后，采用多層多道焊接工藝，焊條左右擺動幅度不得大于焊條直徑的3倍，每層焊縫的高度不得超過4 mm，電弧長度不得大于3 mm；在整個焊接過程中，要嚴格控制層間溫度不超過300℃；焊接后，應立即對再熱管道與管座的焊口進行730℃的回火處理，預熱及焊后熱處理曲線如圖3所示[4]；熱處理后，應進行UT、PT、表面硬度檢驗，要求UT檢驗達到I級合格標準、PT檢驗表面無裂紋、表面硬度檢驗符合標準（美標材質A335P22與德標10CrMo910 等同）。

圖3 熱處理曲線

3.2 管路優化

由于管路設計存在缺陷，管接頭以上的排空氣管被埋在頂棚保溫泥內，嚴重影響了管路熱補償，導致管座及管座上的焊口承受二次應力，因此要從根本上解決這一問題，需對管路進行優化。為徹底解決這種類似問題，制定了如下管路優化方案。

（1）為解決管路熱補償能力不足的問題，將管接頭后彎管更換為膨脹補償器。使用膨脹補償器，增加了管路的熱補償量，消除了膨脹應力，避免了管座焊口的徑向受力[5]。

（2）為避免頂棚聯箱框架板對排空氣管膨脹的影響，在排空氣管穿墻處頂棚聯箱框架板上開φ400mm圓孔；在排空氣管上安裝環形滑動裝置，在母管熱膨脹時保障排空氣管膨脹補償器有足夠的位移空間；在開孔處安裝永久保溫鐵皮罩盒，以防止工作人員踩踏[6]。優化前的管路布置如圖4所示，優化后的管路布置如圖5所示。

圖4 優化前的管路布置

圖5 優化后的管路布置

4 結論

（1）應力集中嚴重、結構形式不合理、根部未焊透以及排空氣管路設計不合理，是造成管座角焊縫損壞的主要原因。

（2）改進管座的設計結構，使用加強型管座，可有效提高承載能力。選用加厚型漸縮管座并嚴格按照工藝要求實施焊接后，大大提高了承壓角焊縫的安全性。增加壁厚，能夠提高管座強度；使壁厚尺寸漸變，能夠有效改善應力集中情況；嚴格按照工藝要求實施焊接，能夠獲得性能較好的焊縫。

（3）優化管路，可從根本上解決熱補償能力不足的問題，有效降低管座焊縫開裂的風險。合理布置排空氣管的管路，采取以下措施可有效解決熱補償能力不足的問題：將管接頭后彎管更換為膨脹補償器；在頂棚框架板開孔；在排空氣管上安裝環形滑動裝置；在開孔處安裝永久保溫鐵皮罩盒。