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(國家能源寧夏煤業(yè)集團 煤制油化工安裝檢修公司， 寧夏 銀川 750411)

國家能源寧夏煤業(yè)集團某廠的循環(huán)流化床鍋爐是一種新型固體燃料鍋爐，單鍋筒，型號DG-280/9.8。固體顆粒在風機的氣流輸送作用下從爐膛底部到達爐膛頂部，有一部分大顆粒在重力作用下沿著爐膛四周向下運動，較小的顆粒從爐膛的煙道離開又被分離器分離并送回爐膛循環(huán)燃燒。循環(huán)流化床鍋爐結構分為2部分，一部分由爐膛、煙氣氣-固物料分離器、固體物料再循環(huán)設備等組成，形成1個固體物料循環(huán)回路。另一部分為對流煙道，布置有過熱器、再熱器、省煤器和空氣預熱器等[1-3]。省煤器是循環(huán)流化床鍋爐的主要部件之一，主要對鍋爐給水進行預熱，并對鍋爐尾部煙氣進行余熱再回收[4-6]。循環(huán)流化床鍋爐省煤器進、出口管在長期運行中，因管內(nèi)腐蝕及在管外固體顆粒磨損作用下減薄易發(fā)生泄漏[7-9]。但省煤器管束排列密集、空間位置狹小，無法對泄漏管道進行割除、更換，檢修中常采用在管口一側焊接堵頭的方法進行消漏處理[10-11]。2017年末至2018年初，因省煤器堵頭泄漏導致該鍋爐停爐3次，且泄漏均發(fā)生在同一位置，嚴重影響鍋爐的安全穩(wěn)定運行。

筆者針對省煤器管堵頭處出現(xiàn)的反復泄漏，分析了問題產(chǎn)生的原因，提出并采取了一系列改進措施，使堵頭的焊接質(zhì)量得到提高，減少了泄漏的發(fā)生。

1 省煤器管泄漏封堵

該循環(huán)流化床鍋爐省煤器裝設在尾部豎井中，采用單級、水和煙氣逆流的布置方式，煙氣溫度約215 ℃。省煤器置于包墻管煙道內(nèi)，垂直于前后包墻，為懸吊結構。省煤器集箱進、出口管的規(guī)格為?32 mm×4 mm，材質(zhì)20G。該進、出口管在運行中經(jīng)常發(fā)生泄漏，加之設計時泄漏處未預留足夠的換管操作空間[12]，因此，常采用加裝堵頭的方法對管口進行封堵。首先將舊管損壞部位割除一段，打磨管口之后將提前預制好的錐形堵頭塞入打磨好的管口內(nèi)部，小頭放入管內(nèi)，大頭比管內(nèi)徑大2 mm，留在管外。此時管子的開口處內(nèi)徑圓與堵頭的中部形成線接觸，用焊條電弧焊將接觸部位焊接牢固，便完成一次封堵(圖1)。但采用此方法焊接的堵頭運行時間短，易再次發(fā)生泄漏。

圖1 省煤器管堵頭實物

2 省煤器管泄漏原因分析

2.1 堵頭結構設計不合理

從圖1可以看出，堵頭與管口焊接的部位無法加工坡口，堵頭與管口端部為線接觸，在接觸部位易形成應力集中。焊接時只能采用角焊縫，其熔合比較低，焊縫質(zhì)量不高，在13 MPa高壓持久作用下，容易開裂泄漏[13]。

省煤器管焊接結構及受力情況見圖2。

圖2 改進前省煤器管焊接結構及受力情況

堵頭所受的力F′由2部分組成，即A1A2所在圓端面上受到的力Fd和堵頭伸入管道內(nèi)部部分錐面上受到的力Fc，兩者合力方向水平向左，F(xiàn)′與焊縫對堵頭的作用力F相等，即：

F=F′=Fd+Fc

(1)

其中

Fd=pπr2

(2)

式(1)～式(2)中，p為省煤器管內(nèi)壓力，MPa；r為堵頭小端面圓的半徑，m。

將p=13 MPa、r=0.011 m帶入式(2)，可得Fd=5 378.3 N。

將堵頭沿直徑在豎直方向剖開，因結構對稱，則剖面上部所受力F1與剖面下部所受力F2在垂直方向上的分量分別為F1sinβ與F2sinβ，二者大小相等，方向相反，相互抵消，故其合力水平向右，整個錐面相當于只受到水平向右的力。對此力的計算，可在錐面上取環(huán)形積分微元，求整個錐面在豎直方向上的面積，再乘以錐面所受的壓力得到，具體計算公式如下：

(3)

將p=13 MPa、堵頭小端面圓半徑r=11 mm、管內(nèi)徑r1=12 mm代入式(3)可得Fc=1 022.4 N，故周向焊縫所受的力F=Fd+Fc=6 400.7 N。

由應力公式可以得到所需要的最小焊縫截面積Amin為：

Amin=NF/σb

(4)

將焊縫金屬抗拉強度σb=420 MPa、安全系數(shù)N=5[14]帶入式(4)可得Amin=7.62×10-5m2。

角焊縫中焊縫的截面面積為[15]：

A≈2πra

(5)

式中，a為焊縫的厚度，mm。角焊縫的橫截面近似為等腰直角三角形，斜邊的高則為角焊縫的厚度。因角焊縫尺寸相比管徑較小，故角焊縫所在圓周半徑近似為管內(nèi)徑，即12 mm。將所需最小焊縫截面積代入式(5)計算可以得到最小焊縫厚度amin=1.01 mm。

由此可知，只要焊縫厚度大于1.01 mm，就能夠滿足強度要求。在正常焊接情況下，此條件很容易實現(xiàn)，但省煤器空間狹小，且由于閥門內(nèi)漏，焊接時管內(nèi)有大量蒸汽流出，管束固定且排列密集，作業(yè)人員無法看清所焊接管口的背面，施焊困難，焊接質(zhì)量無法保證，可能存在焊縫厚度不足1.01 mm的情況，會使焊縫金屬強度不足而發(fā)生開裂泄漏。

2.2 焊接工藝參數(shù)影響

省煤器集箱入口管材質(zhì)20G，規(guī)格?32 mm×4 mm，采用焊條電弧焊進行焊接，焊條型號J422，焊條直徑3.2 mm，焊前不需預熱，焊接電流110～120 A，電弧電壓24 V，焊接速度12 cm/min。此焊接工藝參數(shù)參考了焊接規(guī)范，焊接電流也在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，但焊接電流相對較高，屬于大規(guī)范焊接，焊接熱輸入大，焊接接頭熱影響區(qū)晶粒粗大，致使焊縫的力學性能較低[16]。

2.3 施工因素

在施工過程中，堵頭軸線和管口中心線很難保持平行，易導致堵頭加裝偏斜，造成水域部分的堵頭結構不對稱，堵頭上下或者左右錐面受力無法相互抵消，使堵頭形成了一個以焊縫部位為作用點的力矩，增加了焊縫中的應力。在堵頭與管壁接觸處，管內(nèi)的水直接與焊縫接觸，使焊縫不斷受到管內(nèi)液體的沖蝕，容易造成焊縫部位結構在短期內(nèi)失效，發(fā)生泄漏。

3 省煤器管泄漏處理措施

3.1 調(diào)整加裝位置

經(jīng)過多次試驗，發(fā)現(xiàn)將堵頭由管口外部加裝焊接改為內(nèi)部加裝后，堵頭焊接質(zhì)量較高，堵漏效果較好。改進后省煤器管焊接結構及受力情況見圖3。堵頭放在管內(nèi)，解決了堵頭背面焊接存在盲區(qū)的問題，確保作業(yè)人員對焊縫部位視線無死角，能夠較好地把握焊接金屬的填充量。此外，在堵頭上焊接1根

圖3 改進后省煤器管焊接結構及受力情況

?3.2 mm的J422焊條，用于將堵頭裝入管內(nèi)時調(diào)節(jié)堵頭位置和角度，解決了堵頭容易發(fā)生偏斜的問題。

3.2 優(yōu)化堵頭結構

將堵頭由不開坡口改為開單面V型坡口的形式(圖3)，坡口深度3 mm。開坡口后再焊接，焊縫余高可以控制在1～2 mm，能夠保證焊接時焊縫的厚度大于3 mm，有效增大堵頭焊縫的強度。由文中公式計算可以得知，開坡口焊接后的焊縫可以承受29 094.6 N的力，大于焊縫受力6 400.7 N，能夠滿足焊接強度要求。

3.3 優(yōu)化焊接工藝

將焊條電弧焊的焊接電流由原110～120 A降低到90～110 A，其他焊接參數(shù)保持不變，以減小焊縫的熱量輸入，使焊縫成型良好，從而提高焊縫的力學性能。

4 結語

采用文中措施對循環(huán)流化床鍋爐省煤器管堵頭進行改造后投用至今近1 a，省煤器未發(fā)生過泄漏。實際應用結果表明，采用此方法有效解決了焊接堵頭使用周期短、反復泄漏的問題，可保證鍋爐安全、平穩(wěn)運行，對其它密集管道加堵頭的檢修作業(yè)具有借鑒意義。