朱洪波

本鋼集團(tuán)公司規(guī)劃發(fā)展部 遼寧本溪 117021

1 序言

電站鍋爐中的某些部件，需要承受不同溫度的水或蒸汽等介質(zhì)在其中混合，以達(dá)到調(diào)節(jié)介質(zhì)溫度、保證爐水或蒸汽正常循環(huán)的目的。為了避免介質(zhì)溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力直接作用于部件本體上，通常在不同溫度介質(zhì)混合區(qū)域采用保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)[1-3]，以使熱應(yīng)力作用于套管的內(nèi)管上。GB/T 16507.3—2013 《水管鍋爐 第3部分：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》也明確要求，“凡能夠引起鍋筒筒壁局部熱疲勞的連接管（如給水管、加藥管等），在穿過鍋筒筒壁處應(yīng)加裝套管”。實(shí)際上，除了鍋筒（汽包），鍋爐其他部件也存在由于不同溫度介質(zhì)混合導(dǎo)致的局部熱疲勞。但是，對于電站鍋爐，具體哪些部件需要采用保護(hù)套管，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確或具體規(guī)定。此外，對于設(shè)計(jì)有保護(hù)套管的鍋爐部件，如何進(jìn)行使用管理，也僅見零星的工程事例，還未見系統(tǒng)的研究報(bào)道。本文在對電站鍋爐保護(hù)套管載荷特點(diǎn)與失效模式分析的基礎(chǔ)上，提出了保護(hù)套管的設(shè)計(jì)原則，歸納了保護(hù)套管在檢驗(yàn)、修復(fù)、改造等方面的使用管理，并用工程實(shí)例加以說明。

2 保護(hù)套管載荷特點(diǎn)與失效模式分析

不同溫度的流體混合時(shí)，部件的該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力，相關(guān)文獻(xiàn)[4-5]詳細(xì)表述了不同結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力大小與分布的數(shù)學(xué)描述。從這些描述中可看出，熱應(yīng)力的大小主要與部件結(jié)構(gòu)、尺寸、流體之間的溫差等因素相關(guān)。結(jié)構(gòu)拘束越大、壁厚越厚、流體之間的溫差越大，則該區(qū)域產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大；對于厚壁部件，熱應(yīng)力可以達(dá)到或接近材料屈服點(diǎn)。對于電站鍋爐部件，這種介質(zhì)混合在運(yùn)行中周期性發(fā)生，這就形成了交變疲勞載荷，從而使部件局部區(qū)域產(chǎn)生熱疲勞損傷。

為了避免這種損傷，一種方法是減少部件壁厚或者減少不同介質(zhì)溫差，另一種方法是采用套管結(jié)構(gòu)。前一種方法通常因結(jié)構(gòu)或運(yùn)行要求無法在工程中應(yīng)用。而采用套管結(jié)構(gòu)，可以使不同溫度介質(zhì)的混合區(qū)域遠(yuǎn)離部件本體，熱應(yīng)力產(chǎn)生于套管的管座和內(nèi)管上。由于套管管座和內(nèi)管均可以采用薄壁結(jié)構(gòu)，熱應(yīng)力大為降低，且熱疲勞損傷或破壞發(fā)生后也便于修復(fù)或更換。

對于熱疲勞損傷失效特點(diǎn)，人們進(jìn)行了大量研究，比較充分掌握了其失效特點(diǎn)[6-7]，例如：裂紋通常萌生于部件表面應(yīng)力集中處，如溝槽、管孔邊緣、焊接接頭焊腳等結(jié)構(gòu)不連續(xù)處或接頭未焊透、咬邊等缺陷處。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在如裂紋、焊縫夾渣等缺陷時(shí)，熱疲勞裂紋也可能從這些缺陷處萌生。圖1為某電站汽包給水管套管管孔內(nèi)壁的裂紋，裂紋位于應(yīng)力集中最強(qiáng)烈的管孔邊緣。套管管孔周圍存在多條熱疲勞裂紋，呈放射狀分布。

裂紋擴(kuò)展速率受熱應(yīng)力控制。當(dāng)存在較大溫度梯度時(shí)，通常僅1條或幾條裂紋擴(kuò)展形成主裂紋；當(dāng)溫度梯度小，多條裂紋同時(shí)擴(kuò)展，常常形成龜裂狀。

圖1 某汽包給水管套管管孔裂紋

3 保護(hù)套管的設(shè)計(jì)、使用與修復(fù)改造

根據(jù)保護(hù)套管的失效模式，分析工程中出現(xiàn)的失效事例，認(rèn)為套管設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：①存在不同溫度介質(zhì)混合的區(qū)域，均需要設(shè)計(jì)套管結(jié)構(gòu)，具體包括如鍋爐汽包再循環(huán)管、給水管、加藥管、平衡管、過熱和再熱系統(tǒng)的減溫器噴水管等。②套管管座宜采用與本體相同或相近成分的材質(zhì)，以避免異種材質(zhì)導(dǎo)致的附加熱應(yīng)力。③套管管座宜采用焊透結(jié)構(gòu)，避免未焊透結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中加速熱疲勞裂紋的萌生。

套管內(nèi)管伸入長度，應(yīng)能保證不同溫度介質(zhì)混合的區(qū)域盡可能遠(yuǎn)離部件本體。圖2為某汽包省煤器再循環(huán)管套管管孔裂紋，該套管內(nèi)管尺寸較短，使再循環(huán)水與汽包水混合區(qū)域近汽包內(nèi)壁，導(dǎo)致管孔區(qū)域產(chǎn)生了嚴(yán)重的熱疲勞損傷。

圖2 某汽包省煤器再循環(huán)管套管管孔裂紋

對于檢查中發(fā)現(xiàn)缺陷的套管，可以通過下列方法進(jìn)行修復(fù)。

1）打磨清除。對于較淺的熱疲勞裂紋，通過機(jī)械打磨的方法消除。打磨后剩余壁厚滿足設(shè)計(jì)最小壁厚要求，可以不進(jìn)行補(bǔ)焊。

2）焊接修復(fù)。若裂紋打磨后，最小壁厚已不能滿足強(qiáng)度要求，可以采用補(bǔ)焊的方法修復(fù)。由于修復(fù)區(qū)域存在熱疲勞損傷，因此修復(fù)時(shí)需要考慮焊后熱處理對材料的進(jìn)一步損傷。例如，打磨深度<10.5mm時(shí)，可以采用回火焊道技術(shù)修復(fù)，以省去焊后熱處理[8-10]。

3）擴(kuò)孔修復(fù)。若套管接管座區(qū)域產(chǎn)生了嚴(yán)重的熱疲勞損傷，可以采用擴(kuò)孔方法，清除已嚴(yán)重老化的管孔區(qū)域，擴(kuò)大原管孔，重新設(shè)計(jì)管座。

4）加裝套管。對于原設(shè)計(jì)無套管但存在不同溫度介質(zhì)混合的區(qū)域，可以加裝套管。

4 保護(hù)套管焊接修復(fù)工程實(shí)例

（1）缺陷情況 某發(fā)電鍋爐運(yùn)行27年后，汽包上的省煤器再循環(huán)管套管管孔產(chǎn)生周向與內(nèi)壁裂紋，其形貌如圖3所示。管孔周向裂紋呈放射狀分布，最長120mm，部分放射狀裂紋之間已有二次裂紋連接，形成龜裂；管孔內(nèi)壁方向裂紋呈平行狀分布，彼此之間未形成連接，但其中一條裂紋已貫穿套管管接頭角焊縫，導(dǎo)致汽包泄漏。

圖3 某汽包省煤器再循環(huán)管管孔裂紋

（2）缺陷原因分析 根據(jù)設(shè)計(jì)，該省煤器再循環(huán)管管接頭應(yīng)由套管加內(nèi)管構(gòu)成。但泄漏后檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，管接頭內(nèi)管缺失。機(jī)組長期運(yùn)行過程中，在鍋爐啟動(dòng)和向鍋爐補(bǔ)水以及鍋爐正常運(yùn)行給水時(shí)，難以完全避免一部分給水不經(jīng)過省煤器而直接經(jīng)再循環(huán)管進(jìn)入汽包。由于給水溫度為150～250℃，而汽包的設(shè)計(jì)工作溫度為320℃，二者溫差較大，因此在再循環(huán)管孔處產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，并且隨著運(yùn)行工況的變化應(yīng)力發(fā)生變化，即形成交變應(yīng)力。由于內(nèi)管的缺失，此交變應(yīng)力直接作用于汽包筒壁上。長期交變應(yīng)力作用下，裂紋首先在筒壁的應(yīng)力集中最為強(qiáng)烈部位萌生疲勞裂紋，并逐漸沿焊縫厚度、管孔內(nèi)壁和管孔方向擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致貫穿汽包管壁或角焊縫而泄漏。

（3）焊接修復(fù)過程與工藝 為保證管孔裂紋清除干凈，決定將再循環(huán)管管孔擴(kuò)大至113mm，并據(jù)此重新設(shè)計(jì)套管結(jié)構(gòu)與尺寸，新管座設(shè)計(jì)圖樣如圖4所示。具體修復(fù)過程與工藝簡述如下。

1）缺陷清除。采用機(jī)械打磨的方式，清除已發(fā)現(xiàn)缺陷，并將套管管孔擴(kuò)大至113mm。對于擴(kuò)孔至113mm后仍存在的裂紋，采用打磨的方法清除，并通過滲透檢測確認(rèn)裂紋清除完全。

2）焊前預(yù)熱。施焊前需對汽包側(cè)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度180~200℃，恒溫時(shí)間1h。預(yù)熱采用電加熱，將加熱片安裝于汽包壁內(nèi)壁，控溫?zé)犭娕季o貼安裝于管孔的上方。

3）凹坑補(bǔ)焊。采用氬弧焊打底、焊條電弧焊填充和蓋面的焊接方法，對打磨凹坑進(jìn)行補(bǔ)焊。補(bǔ)焊采用TIG-J50焊絲和J507RH焊條，補(bǔ)焊參數(shù)見表1。

表1 汽包筒體與套管角焊縫焊接參數(shù)

4）套管管座定位焊。分別定位角焊縫側(cè)和對接接頭側(cè)。定位焊位置沿圓周平均焊接三點(diǎn)。定位焊完成后檢查有無錯(cuò)口、對口間隙是否合適、定位焊縫有無缺陷，確認(rèn)無誤后再進(jìn)行后續(xù)工作。

5）套管焊接。采用手工鎢極氬弧焊＋焊條電弧焊，多層多道焊接。氬弧焊打底兩層，打底焊接時(shí)，設(shè)專人在焊接對面觀察，防止打底焊縫出現(xiàn)未焊透、成形不良等缺陷。套管角焊縫的焊接參數(shù)見表1。

6）焊后熱處理。用加熱繩對角焊縫進(jìn)行局部熱處理。以角焊縫為中心，加熱器整圈布置，升降溫速度55℃/h，保溫溫度580℃，保溫時(shí)間120min。

圖4 將圖3中缺陷清除并擴(kuò)孔后的新套管結(jié)構(gòu)

（4）運(yùn)行后的檢驗(yàn) 運(yùn)行兩年后檢驗(yàn)，修復(fù)區(qū)域完好。

5 結(jié)束語

對于電站鍋爐中存在不同溫度介質(zhì)混合的部件，其上應(yīng)設(shè)置保護(hù)套管，以避免部件上產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，導(dǎo)致其局部區(qū)域產(chǎn)生熱疲勞損傷和破壞，具體如鍋爐汽包給水管、再循環(huán)管、平衡容器管、過熱器和減溫器聯(lián)箱減溫器噴水管等。同時(shí)套管應(yīng)具有合理的結(jié)構(gòu)。

對于套管結(jié)構(gòu)，應(yīng)隨設(shè)備檢修周期進(jìn)行檢查，檢查項(xiàng)目以宏觀檢測和表面無損檢測為主，檢查重點(diǎn)部件為應(yīng)力集中區(qū)域，如孔洞、溝槽、焊接接頭等結(jié)構(gòu)不連續(xù)處或裂紋、夾渣等焊接缺陷處。

對于運(yùn)行中產(chǎn)生缺陷的套管，根據(jù)缺陷的嚴(yán)重程度不同，可以采用打磨、焊補(bǔ)、擴(kuò)孔、加裝套管等方法進(jìn)行修復(fù)處理。