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        屏式過(guò)熱器頻繁爆管的原因分析及處理措施

        2021-06-26 00:50:10徐甲慶
        冶金動(dòng)力 2021年3期
        關(guān)鍵詞:焊縫

        徐甲慶

        (河鋼集團(tuán)邯鋼邯寶鋼鐵有限公司能源中心,河北邯鄲 056015)

        前言

        邯鋼西區(qū)自備電廠3×60 MW 煤氣發(fā)電機(jī)組,是公司在鋼鐵冶煉期間富余煤氣綜合利用發(fā)電創(chuàng)效項(xiàng)目,配套3 臺(tái)60 MW 雙抽冷凝式汽輪機(jī)和3 臺(tái)燃煤氣高溫高壓鍋爐組成。1#爐安全運(yùn)行56 800 h,隨后在一個(gè)月內(nèi)接連出現(xiàn)3起集箱內(nèi)隔板焊縫開裂,部分過(guò)熱器管過(guò)熱爆管事故,從化學(xué)成分、金相組織和內(nèi)隔板結(jié)構(gòu)等方面對(duì)屏式過(guò)熱器頻繁爆管的原因分析,更換加固屏式過(guò)熱器24 個(gè)內(nèi)隔板,徹底解決了屏式過(guò)熱器頻繁爆管的狀況。

        1 屏式過(guò)熱器運(yùn)行參數(shù)及爆管現(xiàn)象

        屏式過(guò)熱器布置在爐膛折焰角上部,受到爐膛的850~950 ℃高溫輻射換熱和出口850~923 ℃高溫?zé)煔鈱?duì)流換熱。屏式過(guò)熱器設(shè)計(jì)為Φ42×5 mm無(wú)縫熱軋管,最外第1、第2 根屏式過(guò)熱器管設(shè)計(jì)為12Cr2MoWVTiB,其余設(shè)計(jì)為12Cr1MoVG,半輻射屏式過(guò)熱器沿?zé)煹赖膶挾确较驈奈飨驏|布置了12 組管屏,管屏橫向節(jié)距為600 mm,受熱面積328 m2。運(yùn)行參數(shù)見表1。

        表1 屏式過(guò)熱器運(yùn)行參數(shù)

        1#鍋爐一個(gè)月內(nèi)連續(xù)發(fā)生3起屏式過(guò)熱器爆管事故,且第2 次和第3 次新?lián)Q管也爆管,“爆口”表現(xiàn)為短時(shí)間超溫現(xiàn)象明顯。

        (1)第一次爆管

        間隔時(shí)間:56 000 h。

        爆管位置:爐膛從西數(shù)第一組屏式過(guò)熱器第1根爆管,其余3根彎頭有裂紋。

        爆管現(xiàn)象及原因?!氨凇毖毓懿乃较蜷L(zhǎng)32 mm,橫向?qū)捈s3 mm,斷裂面不平整,“爆口”處管壁厚為4.56 mm,管徑為42.68 mm?!氨凇碧幋嬖诒⊙趸?。彎頭處,管壁厚為4.66 mm,管徑為42.55 mm。管徑脹粗約為1.45%?!氨凇睘殚L(zhǎng)期超過(guò)管材設(shè)計(jì)溫度產(chǎn)生爆管。

        爆管處理措施:對(duì)爆管進(jìn)行了切除和聯(lián)箱管口封堵;更換了第一組屏式過(guò)熱器12處彎頭。

        (2)第二次爆管

        間隔時(shí)間:480 h。

        爆管位置:西側(cè)第一組屏式過(guò)熱器2處新?lián)Q“U”型管和中間2處彎頭裂紋。

        爆管現(xiàn)象及原因。中間2 處彎頭處,管壁厚為4.64 mm,管徑為42.58 mm。管徑脹粗約為1.45%?!氨凇睘殚L(zhǎng)期超過(guò)管材設(shè)計(jì)溫度產(chǎn)生爆管。2 處新?lián)Q“U”型管為短時(shí)超溫爆破口的特點(diǎn)。

        爆管處理措施:更換屏式過(guò)熱器4處“U”型管。

        (3)第三次爆管

        間隔時(shí)間:72 h。

        爆管位置:第一次更換過(guò)的“U”型管4處爆管。

        爆管現(xiàn)象及原因。管徑比原管材粗約為13.2%,“爆口”為鋒利的喇叭形,邊沿很尖利,為韌性斷裂的特性,為短時(shí)超溫“爆口”的特點(diǎn)。

        爆管處理措施:屏式過(guò)熱器大修,更換屏式過(guò)熱器管和屏式過(guò)熱器聯(lián)箱內(nèi)部隔板加固或更換。

        2 屏式過(guò)熱器爆管的原因分析

        鍋爐屏式過(guò)熱器在短期內(nèi)連續(xù)發(fā)生3 次爆管,第2 次和第3 次新?lián)Q管爆管,“爆口”表現(xiàn)為短時(shí)間超溫現(xiàn)象明顯,說(shuō)明了在一個(gè)月內(nèi)連續(xù)3 起爆管的原因和爆管的機(jī)理未查清,需全方位排查分析。

        2.1 成分分析

        對(duì)庫(kù)存的12Cr1MoV 備品管、發(fā)生爆管1 000 mm 上方取樣及原來(lái)運(yùn)行管管樣進(jìn)行取樣分析。見表2。

        表2 管材化學(xué)分析 %

        由表2所列,原運(yùn)行的管材及更換的管材,其結(jié)果與12Cr1MoV 鋼的成分指標(biāo)相符,確定了原廠家提供管材和更換管材料,完全符合GB/T5310--2017的要求。

        2.2 金相組織分析

        對(duì)連續(xù)爆管的爐膛西側(cè)第1 組屏式,對(duì)連續(xù)出現(xiàn)“爆口”的無(wú)縫管,對(duì)“爆口”上部50 mm 砂輪切割取樣,取樣后12Cr1MoV 將切面磨制和拋光后進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn),為鐵素體+碳化物,珠光體球化5級(jí),碳化物在晶界析出、呈鏈狀分布,具有過(guò)熱老化特性。如圖1 所示。

        圖1 “爆口”邊緣上部50 mm金相結(jié)構(gòu)

        2.3 連續(xù)3起屏式過(guò)熱器運(yùn)行分析

        爆管前后數(shù)據(jù)對(duì)比,屏式過(guò)熱器出口蒸汽長(zhǎng)期在430~460 ℃超溫運(yùn)行,且4 次嚴(yán)重超溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。該鍋爐蒸汽溫度調(diào)節(jié)用噴水減溫二級(jí)布置,第一級(jí)噴水點(diǎn)布置在第二級(jí)對(duì)流過(guò)熱器與屏式過(guò)熱器之間,為粗調(diào),保證屏式過(guò)熱器出口蒸汽溫度≤429 ℃;第二級(jí)噴水點(diǎn)布置在一級(jí)過(guò)熱器冷段和熱段之間,為細(xì)調(diào)。經(jīng)二級(jí)噴水調(diào)溫后,保證主蒸汽溫度在530~540 ℃額定范圍內(nèi)運(yùn)行。

        因設(shè)計(jì)安裝缺陷,第一級(jí)2 個(gè)噴水減溫電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為水平安裝,受重力影響閥門和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同心,造成一級(jí)噴水減溫調(diào)節(jié)閥卡澀,反應(yīng)不靈敏。而屏式過(guò)熱器出口蒸汽溫度在430~480 ℃時(shí),可只用二級(jí)減溫水調(diào)節(jié),就能滿足主蒸汽溫度在530~540 ℃額定范圍內(nèi)運(yùn)行。且二級(jí)減溫比一級(jí)減溫調(diào)節(jié)主蒸汽溫度更靈敏、可靠,外加一級(jí)減溫水調(diào)節(jié)閥卡澀。在運(yùn)行中,主要用二級(jí)減溫水對(duì)主蒸汽溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),存在一級(jí)減溫水調(diào)控不及時(shí)或低負(fù)荷不投運(yùn)的現(xiàn)象,疏忽了一級(jí)減溫水對(duì)屏式過(guò)熱器的保護(hù)作用,造成屏式過(guò)熱器長(zhǎng)期在430~460 ℃超溫運(yùn)行。屏式過(guò)熱器出口蒸汽溫度超標(biāo)參數(shù)見表3。

        表3 屏式過(guò)熱器出口蒸汽溫度超標(biāo)參數(shù)

        2.4 屏式過(guò)熱器結(jié)構(gòu)分析

        每一組鍋爐屏式過(guò)熱器集箱Φ219×25mm 的內(nèi)部焊接兩個(gè)內(nèi)堵板(12CrlMoV),兩個(gè)內(nèi)堵板為單邊滿焊,把整個(gè)連箱分成了A 區(qū)、B 區(qū)和C 區(qū)三段。屏式過(guò)熱器的蒸汽流程如圖2。

        圖2 屏式過(guò)熱器蒸汽流程圖

        低溫過(guò)熱出口集箱輸出的過(guò)熱蒸汽通過(guò)集箱A區(qū),從集箱A區(qū)進(jìn)入左側(cè)過(guò)熱器管,過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)吸收爐膛輻射和對(duì)流換熱,再進(jìn)入集箱B區(qū);進(jìn)入右屏式過(guò)熱器的隔板1 和隔板2 左側(cè)面為受力面,可以承受運(yùn)行中的鍋爐設(shè)計(jì)壓力,反面為不受力面,即運(yùn)行中高壓力只能作用隔板1和隔板2左側(cè)面。

        為徹底分析原因,把連續(xù)3次發(fā)生爆管,爐膛西側(cè)第一組屏式聯(lián)箱割開,發(fā)現(xiàn)隔板1 和隔板2 存在焊縫開裂傾倒現(xiàn)象;隨即將剩余的11組屏式過(guò)熱器聯(lián)箱割開檢查,發(fā)現(xiàn)有7 個(gè)隔板開裂、傾倒和移位。屏式過(guò)熱器聯(lián)箱內(nèi)隔板狀態(tài)見表4。

        表4 屏式過(guò)熱器聯(lián)箱內(nèi)隔板狀態(tài)

        2.5 屏式過(guò)熱器集箱內(nèi)堵板開裂、傾倒原因分析

        屏式過(guò)熱器集箱內(nèi)堵板為單邊滿焊,焊縫中存在大量氣孔、夾渣缺陷。機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行中由于內(nèi)堵板兩側(cè)設(shè)計(jì)存在差壓,鍋爐負(fù)荷交替變化,產(chǎn)生的熱脹冷縮,使內(nèi)堵板的焊縫產(chǎn)生熱交變應(yīng)力。加之屏式過(guò)熱器超溫運(yùn)行過(guò)一段時(shí)間,焊縫強(qiáng)度急劇下降,當(dāng)熱應(yīng)力大于焊縫的屈服極限應(yīng)力,首先從焊縫中存在氣孔、夾渣的薄弱地方開裂,氣流從開裂處不斷進(jìn)行沖刷出現(xiàn)裂縫,加之內(nèi)堵板運(yùn)行期間頻繁振動(dòng),最終使焊縫全部開裂,導(dǎo)致內(nèi)隔板開裂、傾倒。

        由于內(nèi)堵板兩側(cè)壓差消失,屏式過(guò)熱器采用Φ 42×5mm 管徑細(xì),壓降大,阻力大,聯(lián)箱管徑粗,壓降小,阻力小,過(guò)熱蒸汽就會(huì)由聯(lián)箱A 區(qū)直接流向B區(qū),那么聯(lián)箱下部管子的高溫過(guò)熱蒸汽流量減少,處于高溫對(duì)流輻射,屏式過(guò)熱器管在無(wú)蒸汽冷卻下,造成管排干燒,短期超溫爆管。綜上所述,屏式過(guò)熱器管頻繁爆管主要原因是聯(lián)箱內(nèi)隔板焊縫開裂和超溫引起的。

        3 處理方法和措施

        (1)對(duì)12 組屏式過(guò)熱器聯(lián)箱24 處焊口用砂輪割斷,對(duì)原焊縫打磨40°坡口,對(duì)新內(nèi)堵板進(jìn)行雙面打坡口,在聯(lián)箱內(nèi)部打磨清理干凈,焊接部位預(yù)熱到300 ℃,集箱內(nèi)隔板用氬弧焊工藝焊接,聯(lián)箱焊接采取氬弧焊打底電焊蓋面的工藝。焊后熱處理,3 h內(nèi)平均加溫到730 ℃后,在730 ℃恒溫保持1 h;2.5 h內(nèi)從730 ℃均勻降至300 ℃;從300 ℃自然冷卻至常溫。熱處理期間禁用快速升溫或強(qiáng)制冷卻措施,熱處理完畢后焊縫100%做超聲波探傷。

        (2)更換屏式過(guò)熱器管。對(duì)內(nèi)隔板發(fā)生傾斜或開焊的聯(lián)箱,全部更換鍋爐屏式過(guò)熱器Φ42×5mm管子,焊接采用氬弧焊,焊絲采用R31。對(duì)第1、第2根材質(zhì)為 12Cr2MoWVTiB,采取焊條R34 氬弧焊焊接。

        (3)第一級(jí)2 個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改造水平直管段上,垂直安裝,解決了閥門和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同心問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了一級(jí)減溫水自動(dòng)調(diào)節(jié)功能,運(yùn)行中嚴(yán)格控制屏式過(guò)熱器出口汽溫≤429 ℃;主蒸汽溫度低時(shí),禁止采用屏式過(guò)熱器超溫運(yùn)行,提高主蒸汽溫度的方法。

        4 結(jié)論

        綜上所述,鍋爐屏式過(guò)熱器在一個(gè)月內(nèi)接連出現(xiàn)3 起爆管的主要原因是集箱內(nèi)隔板開裂或倒塌,按照上述措施和方法對(duì)鍋爐屏式過(guò)熱器聯(lián)箱和管子進(jìn)行處理后,保證了鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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