萬 晉 陳晨曦 陳宇慧

(1．福州大學(xué)石油化工學(xué)院；2．鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院)

高壓加熱器焊縫裂紋缺陷安全評定分析

萬 晉*1陳晨曦1陳宇慧2

(1．福州大學(xué)石油化工學(xué)院；2．鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院)

應(yīng)用有限元法詳細(xì)分析了一臺含裂紋缺陷的高壓加熱器應(yīng)力分布狀況，指出了管板與筒體連接的邊緣應(yīng)力特殊性。根據(jù)設(shè)備可能出現(xiàn)的各種運(yùn)行工況和GB/T 19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》標(biāo)準(zhǔn)，對缺陷的安全性進(jìn)行評定分析，得出在當(dāng)前工況下運(yùn)行設(shè)備符合“合于使用”原則；并依據(jù)設(shè)備實際運(yùn)行中壓力波動情況進(jìn)行疲勞分析，給出在下一個運(yùn)行周期內(nèi)設(shè)備能滿足運(yùn)行條件的結(jié)論。

高壓加熱器 焊縫 裂紋 安全評定

高壓加熱器是熱力發(fā)電廠鍋爐給水回?zé)嵯到y(tǒng)中的重要組成部分，對火電廠節(jié)能增效起著非常重要的作用。近年來為滿足生產(chǎn)需求，高壓加熱器也向著結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和參數(shù)大型化發(fā)展，而運(yùn)行中復(fù)雜的外界載荷和加熱器內(nèi)高溫高壓的流體沖擊等多種因素的作用，使得制造中遺留的缺陷擴(kuò)展，也可能萌生新的缺陷。缺陷是否影響到設(shè)備的安全運(yùn)行，一直是國內(nèi)外工程技術(shù)人員所關(guān)注的問題，我國也將該問題列入“九五”攻關(guān)課題，在充分借鑒國內(nèi)外最新研究成果并基于“合于使用”原則的基礎(chǔ)上，制訂并頒布了GB 19624-2004標(biāo)準(zhǔn)作為評定缺陷對設(shè)備危害程度的依據(jù)[1～9]。

1 高壓加熱器性能參數(shù)及缺陷狀況

某發(fā)電企業(yè)一臺僅投運(yùn)兩年的高壓加熱器(圖1)，在定期檢驗過程中，發(fā)現(xiàn)管板與殼程筒體的連接焊縫中存在多處較強(qiáng)的超聲反射波，經(jīng)相控陣超聲檢測確認(rèn)這些位置存在不同程度的平行于焊縫的裂紋缺陷。所檢出的缺陷已經(jīng)超出了常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所允許的范疇，通常采取報廢或返修的措施進(jìn)行處理，這樣處理有兩個缺點(diǎn)：更換設(shè)備產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)支出和較長的加工周期；返修過程中采用碳弧氣刨消除缺陷、焊接及焊后的局部熱處理等，可能影響到缺陷周邊材料性能，加速材料的劣化，對后續(xù)的安全使用埋下新的隱患。

圖1 高壓加熱器結(jié)構(gòu)

該高壓加熱器采用雙管程U形管式，殼程筒體強(qiáng)度按GB 150標(biāo)準(zhǔn)[10]設(shè)計，設(shè)計壓力8.8MPa，設(shè)計溫度410℃，介質(zhì)為蒸汽和冷凝水；管程設(shè)計壓力38.75MPa，設(shè)計溫度325℃，介質(zhì)為鍋爐給水。

列管采用正三角形排列，列管與管板采用脹焊連接。殼程筒體、管板的材料分別為15CrMoR、20MnMo(鍛件)，根據(jù)設(shè)備原生產(chǎn)廠家對這些材料化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測資料得到相關(guān)的復(fù)驗數(shù)據(jù)分別見表1、2。

表1 材料化學(xué)成分 %

表2 材料力學(xué)性能參數(shù)

管板與殼程筒體的對接焊縫中經(jīng)相控陣超聲檢測認(rèn)定的埋藏裂紋狀況見表3。

表3 檢出的埋藏裂紋狀況

依據(jù)所檢出的裂紋位置和尺寸大小，按文獻(xiàn)[7]對缺陷表征和規(guī)則化要求，裂紋1與裂紋2間、裂紋6與裂紋7間距離較近，從檢測的圖像上能分析出缺陷均在焊縫中靠管板側(cè)，但較難準(zhǔn)確判斷出缺陷間共面與否，考慮到該焊縫采用的是U形坡口，焊縫寬度不大，根據(jù)現(xiàn)場測量兩焊趾間最大寬度約為40mm，故認(rèn)定它們之間存在相互影響關(guān)系，具備合并條件，經(jīng)復(fù)合處理得到兩條尺寸較大的裂紋A和裂紋B。所有缺陷經(jīng)處理后依然滿足埋藏裂紋的條件，為安全起見對規(guī)則化后的缺陷尺寸放大1.1倍并向大圓整后作為安全評定的缺陷尺寸(表4)。

表4 裂紋缺陷規(guī)則化后及評定用的尺寸

2 裂紋缺陷位置的應(yīng)力計算分析

由于裂紋處在管板與殼程筒體的對接焊縫中，由圖1可以看出該焊縫周邊結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜：管板可看作厚度方向開有許多小孔的平板，這些列管孔的大小、數(shù)量和分布狀況改變了管板的剛度，影響了焊縫區(qū)域的應(yīng)力大小和分布；在焊縫附近殼程筒體上還有多個開孔接管，最近距離不足200mm，由于開孔接管與筒壁間變形協(xié)調(diào)作用，導(dǎo)致接管周邊產(chǎn)生高應(yīng)力，將會影響該焊縫的應(yīng)力狀況，而管板的另一側(cè)與高壓加熱器的水室組件相連，水室的球形封頭上還接有給水進(jìn)出口管；管板與殼程筒體連接焊縫處存在總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)，且管板采用了圓弧過渡后與筒體連接，對應(yīng)力分布也產(chǎn)生一定的影響。眾多因素作用下缺陷所處截面的實際應(yīng)力大小難以采用常規(guī)的公式計算得到，尤其是安全評定分析中需要裂紋位置經(jīng)向應(yīng)力沿壁厚方向分布狀況，故采用有限元法，詳細(xì)分析焊縫位置的應(yīng)力分布狀況。

2.1有限元計算模型

獲取管板與殼程筒體連接處焊縫的應(yīng)力分布狀況是有限元分析的目的，在建立計算模型時以焊縫為重點(diǎn)，包括它附近的筒體上的接管、管板和水室外殼。由于水室和管板上管孔分布具有對稱性，為了減少計算工作量，取殼程筒體長度2 000mm，假設(shè)筒體也具有相同的對稱性，該假設(shè)與實際雖有偏差，但對焊縫處應(yīng)力分布影響不大，且偏安全。該設(shè)備采用雙管程U形管式，管束對管板不產(chǎn)生彈性支承，同時管束與殼程筒壁間溫差與筒壁的應(yīng)力無關(guān)，因此只要考慮管板開孔造成管板的剛度和強(qiáng)度的降低；因筒體壁厚較大，忽略焊縫余高的影響，亦忽略距離管板與筒體焊縫較遠(yuǎn)的水室頂部的人孔結(jié)構(gòu)，基于以上假設(shè)計算模型簡化為原結(jié)構(gòu)的1/4，模型中結(jié)構(gòu)的壁厚全部采用有效厚度。采用20節(jié)點(diǎn)六面體單元(SOLID186)，應(yīng)用ANSYS有限元軟件在焊縫、管板、接管和可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域采用較致密的單元，整個計算模型共形成646 094個單元，3 343 781個節(jié)點(diǎn)(圖2)。在模型對稱面施加對稱約束，并在殼程筒體的端面施加經(jīng)向約束。分析高壓加熱器實際運(yùn)行情況可能出現(xiàn)的3種工況，分別計算管程、殼程及正常工作時管程與殼程同時承受相應(yīng)的設(shè)計壓力等工況的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)。

圖2 有限元計算模型示意圖

2.2計算結(jié)果分析

為了驗證計算模型的準(zhǔn)確性，分別在筒體遠(yuǎn)離邊緣影響的位置和球形封頭頂點(diǎn)位置提取相應(yīng)壓力載荷下的應(yīng)力值，與彈性力學(xué)推得的理論公式計算結(jié)果比較(表5)，得出在筒體位置的兩者結(jié)果相差很小，而封頭頂點(diǎn)處存在較大偏差，由圖1可以看出該點(diǎn)距離給水出口接管較近，接管的邊緣應(yīng)力對封頭頂點(diǎn)應(yīng)力尚有一定的影響，而理論計算公式未計及邊緣應(yīng)力。比較結(jié)果表明所建立的有限元計算模型，在約束和載荷的施加、單元類型的選擇、單元網(wǎng)格大小的劃分是正確和適當(dāng)?shù)?，能反映實際情況。

表5 應(yīng)力計算結(jié)果比較

在模型兩個對稱面(φ為0、90°)的內(nèi)、外表面，以所分析的焊縫靠管板側(cè)的焊趾線為起點(diǎn)(S=0mm)，建立沿筒體經(jīng)線方向路徑，分別提取3種工況載荷作用下路徑上節(jié)點(diǎn)的經(jīng)向和周向應(yīng)力，并繪制成應(yīng)力分布曲線(圖3，S=0～40mm為焊縫)，圖中應(yīng)力變化趨勢表明存在裂紋的焊縫在外載荷作用下其應(yīng)力遠(yuǎn)高于筒體部分，在焊縫寬度范圍內(nèi)靠管板側(cè)焊趾線位置截面上應(yīng)力絕對值最大，并隨著與管板距離的增大經(jīng)向應(yīng)力逐漸減小，高應(yīng)力主要由管板邊緣應(yīng)力所致，筒體接管對焊縫應(yīng)力影響不大；把裂紋缺陷定位靠管板側(cè)焊趾線截面上進(jìn)行評定分析是偏安全的。在管程單獨(dú)承受壓力載荷時外表面承受經(jīng)向拉應(yīng)力，內(nèi)表面經(jīng)向受壓(圖3a)；而在殼程單獨(dú)承受壓力時，內(nèi)、外表面所承受經(jīng)向應(yīng)力方向剛好與管程單獨(dú)受載時的情況相反(圖3b)；這兩種工況時內(nèi)、外表面應(yīng)力分布近似于對稱。在正常工作時殼程和管程雖都受有壓力載荷，但殼壁所受的經(jīng)向應(yīng)力并不比管、殼程單獨(dú)承受壓力載荷工況時的大(圖3c)，對于含周向裂紋的截面而言，管、殼程同時受載不是最危險工況。對比各工況下的應(yīng)力數(shù)據(jù)不難得出：高壓加熱器正常工作時殼壁上的應(yīng)力值是管、殼程單獨(dú)受載時各對應(yīng)點(diǎn)應(yīng)力值的代數(shù)迭加。在正常工況時最大應(yīng)力是外表面的周向應(yīng)力。

a. 管程承載

b. 殼程承載

c. 正常工況

如圖4所示給出了3種工況下S=0mm截面內(nèi)、外表面的應(yīng)力沿圓周方向的分布狀況，在管程或殼程單獨(dú)受壓時應(yīng)力值隨角度φ改變的幅度不大，這說明筒體上開孔接管對焊縫的應(yīng)力影響不大。管板與筒體連接結(jié)構(gòu)的筒體側(cè)邊緣應(yīng)力不同于平板封頭與筒體連接結(jié)構(gòu)的值，兩者間差別很大，在殼程單獨(dú)受載的情況下，若采用平板封頭與筒體連接結(jié)構(gòu)的有力矩理論推導(dǎo)的邊緣應(yīng)力計算公式來計算應(yīng)力[11]，則兩者計算結(jié)果的偏差大于30%。

圖4 S=0mm截面3種工況下應(yīng)力分布

管板與筒體連接結(jié)構(gòu)相近于平板封頭與筒體連接結(jié)構(gòu)，參照文獻(xiàn)[12]應(yīng)力分類規(guī)則，因壓力引起的邊緣區(qū)域應(yīng)力由一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力兩部分組成，分析圖3、4中應(yīng)力分布曲線可以發(fā)現(xiàn)一個顯著的特點(diǎn)：在所分析的范圍內(nèi)，不論哪種工況，殼程筒體任一橫截面處內(nèi)、外表面的經(jīng)向應(yīng)力差值遠(yuǎn)大于周向應(yīng)力的，這也表明殼壁的經(jīng)向應(yīng)力中由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力占很大的份量。分析表4中各缺陷尺寸和位置，對照經(jīng)向應(yīng)力分布狀況，不難得出存在缺陷A和缺陷B時設(shè)備若依然滿足“合于使用”原則，則其余缺陷也將滿足這個原則的結(jié)論。文獻(xiàn)[7]中對周向裂紋的評定采用缺陷位置處的經(jīng)向應(yīng)力，為此得到缺陷A、B位置角處沿壁厚經(jīng)向應(yīng)力分布曲線(圖5)，在3種不同的工況下經(jīng)向應(yīng)力沿壁厚方向的分布基本成線性，非線性含量極少。以整個缺陷深度范圍內(nèi)各處的線性化應(yīng)力值不低于實際應(yīng)力值為原則，確定缺陷部位沿壁厚的線性分布應(yīng)力，得到評定缺陷A和B安全性所需的薄膜應(yīng)力分量σM和彎曲應(yīng)力分量σB(表6)。

圖5 各工況下S=0mm截面經(jīng)向應(yīng)力沿壁厚分布(B=0mm為外壁面)

工況缺陷A缺陷BσMσBσMσB管程承載4.37124.117.81134.38殼程承載42.87104.9347.62101.81正常工況47.6328.2847.4434.43

該設(shè)備出廠前雖經(jīng)600～630℃整體退火處理，但難以完全消除熱應(yīng)力，通常焊接殘余應(yīng)力約為熱處理溫度下30%～50%的材料屈服限。所評定的為20MnMo和15CrMo兩種不同材料焊接的焊縫，由表2數(shù)據(jù)得知：20MnMo的力學(xué)性能強(qiáng)于15CrMo和焊縫的。因未能取得熱處理溫度下20MnMo的屈服限，由文獻(xiàn)[10]中查得450℃時的數(shù)值，并取它的40%作為焊接殘余應(yīng)力大小，該替代是偏安全的。

3 裂紋缺陷安全性分析

表7 缺陷A、B評定計算結(jié)果

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行記錄，該高壓加熱器在運(yùn)行過程中管、殼程中的壓力是非穩(wěn)態(tài)的，管程最低壓力會降至18.8MPa，殼程最低壓力為4.6MPa，壓力波動主要由發(fā)電系統(tǒng)調(diào)峰引起，每天大約出現(xiàn)2～3次，取每天波動5次，假設(shè)該設(shè)備到下一次檢驗定為3年，在該運(yùn)行周期內(nèi)將出現(xiàn)5 475次的波動。由于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與壓力載荷成線性關(guān)系，可算得壓力波動時殼壁薄膜和彎曲應(yīng)力變化量(ΔPM、ΔPB)；分析高壓加熱器工作狀況可能出現(xiàn)3種極端的工況：管程壓力降低，殼程壓力不變(1)；殼程壓力降低，管程壓力不變(2)；管程與殼程壓力同時降低(3)。依此對設(shè)備在下一運(yùn)行周期內(nèi)的安全狀況進(jìn)行疲勞分析，計算結(jié)果見表8。

表8 裂紋A、B疲勞分析計算結(jié)果

依據(jù)GB 19624-2004標(biāo)準(zhǔn)[7]，當(dāng)ΔKa≤213N/mm3/2時允許承受循環(huán)次數(shù)高于10 000次，故得出高壓加熱器在下一使用周期內(nèi)不會因裂紋A、B擴(kuò)展造成設(shè)備破壞。

4 結(jié)束語

在相控陣超聲波檢測準(zhǔn)確確定缺陷大小、位置和性狀的基礎(chǔ)上，分析了高壓加熱器在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的危險工況，應(yīng)用有限元法詳細(xì)分析了各種工況下存在埋藏裂紋的焊縫應(yīng)力分布狀況，依據(jù)GB 19624-2004標(biāo)準(zhǔn)對裂紋進(jìn)行了斷裂評定和疲勞擴(kuò)展可能性分析，得出這臺高壓加熱器在當(dāng)前運(yùn)行條件下，在后續(xù)3年的使用周期內(nèi)滿足“合于使用”原則，可安全運(yùn)行的結(jié)論。管板與筒體連接結(jié)構(gòu)筒體側(cè)的邊緣應(yīng)力不宜套用平板封頭與筒體連接結(jié)構(gòu)的公式計算，兩者間偏差很大。產(chǎn)生偏差的原因主要來源于管板采用了過渡圓弧結(jié)構(gòu)和管板的剛度。

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SafetyAssessmentofHigh-pressureHeaterwithWeldCracks

WAN Jin1, CHEN Chen-xi1, CHEN Yu-hui2

(1.SchoolofChemicalEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China;2.CollegeofEnergyandPowerEngineering,ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou361101,China)

Making use of the finite element method to analyze stress distribution of a high-pressure heater with crack defects was implemented to show the particularity of the edge stress in the connection of tube sheet and cylinder. Through analyzing possible working conditions of the equipment and basing on GB/T 19624-2004SafetyAssessmentforin-servicePressureVesselsContainingDefects, the defects’ security was assessed to work out the principle of "suitable for use" of the equipment which operating under the current operating conditions. Fatigue analysis done on the basis of the pressure fluctuation during actual operation shows that, the equipment can fulfill the operating conditions at the next running cycle.

high-pressure heater, weld,crack, safety assessment

*萬 晉，男，1957年7月生，副教授。福建省福州市，350108。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)06-0784-07

2016-03-17，

2016-04-19)