基建階段過熱器管屏強拉對接口的危害性分析

司順勇

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

火電廠四管泄漏是最為常見的鍋爐故障，給機組的安全穩定運行帶來極大的隱患，導致四管泄漏的原因很多，有運行原因、結構原因、材質原因和安裝原因等，發生泄漏的部位很大一部分位于焊口附近，主要是因為焊接區域的缺陷概率較大，且焊接過程容易對材料的組織結構產生影響[1]。其中安裝質量關系到結構的實際受力狀態，對后期的安全運行至關重要，集箱結構是火電廠鍋爐系統的一個重要組成部分，主要起到匯集和分配汽水介質的作用，一般將管屏中的汽水介質進行匯集或重新分配，從而保證汽水介質均勻分配、均勻加熱，避免局部過熱。由于集箱的固有結構決定了其焊口密集、焊接難度大、不連續變化區域多，因而也是結構應力復雜區域[2]，且無法運用理論公式分析其局部受力狀態。本文將對基建階段的過熱器管屏強拉對口情況進行詳細的受力分析，重點研究對接管座焊縫的影響[3]，以定量的準確評判強拉對口的危害。

1 現場情況介紹

某新建超臨界660 MW變壓運行直流鍋爐，采用前后墻對沖燃燒，單爐膛、一次再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構。鍋爐內蒸汽從高過入口集箱經蛇形管加熱后進入高過出口集箱，品質合格的蒸汽由連接管從出口集箱兩端引出至主蒸汽管道，高過蛇形管位于折焰角上部，沿爐寬方向布置有34片，每片管屏由20根管并排繞制而成。高溫過熱器管道規格和材質情況見表1。

表1 高溫過熱器管道規格和材質表

在基建安裝階段，管屏首先在地面組合，相鄰管屏之間的拼接以圖紙上的安裝基準線對齊為原則，在高空組合時相鄰管屏或管組之間的對齊也是按安裝基準線對齊為原則。管屏組裝焊接完成后，最后將管屏與對應的集箱接管座進行焊接固定，并將管屏吊掛與集箱下方的吊點連接承力，防止管屏自重載荷轉移至集箱接管座焊縫上，整個組裝過程中嚴禁強拉對口。現場安裝完成后的結構如圖1所示，由于該結構是等距排列的陣列結構，采用三維建模軟件等比例建立單個單元的三維模型如圖2所示。

圖1 現場安裝完成后的結構形態

圖2 單個單元的三維模型

但在實際基建階段，發現在最后一道焊口（即管屏組件與集箱接管座接口）焊接時，存在強拉對口現場，最大錯口量達到30 mm左右，給后續運行帶來極大的安全隱患。

2 結構受力仿真分析

高溫過熱器集箱運行過程中溫度較高，熱膨脹效應明顯、熱應力作用顯著[4]，因而在實際分析過程中應考慮溫度場的影響，考慮溫度場影響后的理論本構方程如下式[5]：

式中：σxx、σxy、σzz為主應力分量；εxx、εyy、εzz為主應變分量；τxy、τyz、τzx為剪應力分量；γxy、γyz、γzx為剪應變分量；E為材料彈性模量；μ為泊松比；G為材料剪切模量；αT為材料的熱膨脹系數；ΔT為溫差。

為詳細判斷強力對口的危害，明確最大危害區域，在此建立單個管屏區域的三維模型，如圖2所示，管屏模型截止于吊掛吊點處（因該位置與集箱相對固定）。考慮到該結構的對稱性，選取該模型的一半進行有限元仿真分析，首先進行網格劃分，管屏結構采用六面體單元、集箱及焊縫區域采用四面體單元，接管座區域網格加密，單元大小為2 mm。重點區域的網格結構如圖3所示。

圖3 有限元網格劃分

以機組運行狀態為計算熱態，按照設計運行參數設定該區域計算溫度571℃、計算壓力25.1 MPa，采用線彈性本構模型，P91/T91材料的計算參數見表2[6]。

表2 材料計算參數

根據現場強拉對口量（30 mm）為端部位移邊界條件，同時考慮運行狀態下的蒸汽內壓（25.1 MPa），考慮到集箱的剛度相對于管屏要大很多，在此將集箱中性面固支。計算得到運行狀態下的結構Mises應力如圖4所示，結果顯示接管座與集箱焊口的上表面存在應力集中區，最大應力位于上數第二根管道，第一根至第三根管道相同位置的最大應力分別為：130.7 MPa、205.2 MPa、133.7 MPa，由此可知在強拉對口時，會對接管座與集箱焊口造成最為惡劣的影響，最大應力位于第二根管道，主要是由于第一根管道的壁厚更大、和其他管道的規格都不一樣。

接管座表面的集中應力為二次應力，屬于為滿足整體變形協調條件，在結構不連續或相鄰原件連接部位及其鄰近區域產生的附加應力，參見GB/T 16507.4—2013《水管鍋爐 第4部分：受壓元件強度計算》規定，二次應力區的最大當量應力應小于3倍材料許用應力，這主要是依據結構的安定性條件，即當結構的彈性應力變化范圍不超過2倍的材料屈服強度時結構安定，不會產生低周疲勞破壞，能夠滿足安全運行的要求[7]。考慮到材料許用應力一般取屈服極限除以1.5，因而二次應力區的最大當量應力應小于3倍材料許用應力A335 P91在工作溫度571℃下的許用應力為91.7 MPa，接管座焊縫最大應力205 MPa，小于3倍許用應力275.1 MPa，但總體來看應力仍然較高，剩余的安全余量不大，將對結構的安全穩定運行帶來隱患。

3 結束語

現場過熱器管屏強拉對口焊接會造成集箱表面與接管座的焊口應力增大，并不是直接強拉的焊口，使得現場檢驗時不一定能發現，而且在上述錯口量的情況下，并不會導致現場焊口直接拉裂，而是對長期運行帶來不利影響，就更加給現場檢驗帶來困難。

因而在基建階段，應該加強質量管控，嚴格限制強拉對口行為，確保安裝階段不會增加結構內應力。