锅炉锅筒管座角焊缝裂纹产生的原因分析.doc

锅炉锅筒管座角焊缝产生裂纹的原因分析及防治建议摘要：我们在某电厂50MW的节能环保型机组的锅炉检验中，对锅筒管座进行表面无损检测，其中发现了大量的表面裂纹。对此我们对该台锅炉锅筒管座角焊缝进行了全面排查，并对产生裂纹的原因进行了分析，从而对锅筒制造、安装及运行等方面提出改进建议。关键词：锅炉 锅筒 管座 角焊缝 裂纹 0、前言该锅炉为单锅筒循环流化床锅炉锅炉，全钢构架，“”型结构，露天布置，系自然循环锅炉，锅炉出口压力为9.8MPa，出口温度为540，蒸发量为220t/h，于2006年投入运行。锅筒概况：锅筒内径为1600mm，壁厚为100mm，筒身由P355GH钢板卷焊而成，封头是用同种钢板冲压而成。省煤器至锅筒给水温度280，锅筒饱和蒸汽温度321，锅筒压力11.4MPa。本次磁粉检测时，锅筒管座发现38处裂纹，鉴于发现裂纹的数量大，因此对该锅炉锅筒进行了全面的检验。开展了资料审查、宏观检查、磁粉检测、超声波检测、光谱分析、硬度检测、管座测厚、金相检验和磁记忆应力集中测试等项目。在这些检查手段的基础上对锅筒裂纹产生的原因进行分析，并对锅筒制造、安装及运行提出改进建议。1、检验检测结果1.1资料审查：（1）审查生产厂家提供的锅筒制造资料，包括产品质量证明书、强度计算书、锅筒相关图纸等相关技术资料，锅筒热处理记录、锅筒管座角焊缝焊接工艺评定报告。焊接工艺评定中未见有对该类型焊缝进行焊前预热，同时也未见焊接工艺评定中的高温拉伸试验报告。（2）审查锅炉运行记录、事故、故障记录，超温超压记录以及锅筒的温度、压力记录，水质情况等相关记录，审查结果如下：锅炉无超温记录。超压3次，紧急停炉2次；其他未见异常；（3）审查锅炉维护保养等相关记录，未见异常情况。1.2、磁粉检测：对锅筒所有管座（给水管、上升管、饱和蒸汽引出管）角焊缝进行表面检测，其中28个管座发现38处表面裂纹（见裂纹形态下图1、2）。前排上升管发现11处表面裂纹，饱和蒸汽引出管发现3处表面裂纹，后排上升管发现6处表面缺陷，给水管座发现18处表面裂纹。水位计汽连管发现1处表面裂纹。 图1、管座裂纹形态1 图2、管座裂纹形态21.3、超声波检测：对锅筒所有管座角焊缝超声波检测，共发现38根管座有超标缺陷。其中12根给水管管座发现10根有超标缺陷；20根后排上升管发现14根有超标缺陷；14根前排上升管发现9根超标缺陷；8根饱和蒸汽引出管发现5根超标缺陷。1.4、磁记忆检测：通过对49根接管的检测分析，共发现39根接管存在较大或很大的应力集中。其中8根饱和蒸汽引出管中有6根存在应力集中问题；14根前侧上升管中有10根存在应力集中问题；12根给水管中有11根存在应力集中问题；20根后侧上升管中有12根存在应力集中问题。1.5、宏观检验：对锅筒结构、热膨胀情况及锅筒外部接管支吊架安装情况等进行检查，发现有个别支吊架存在未受力的情况。1.6、光谱分析、硬度检测、管座测厚、金相检验等检测未见异常。1.7、磁粉检测、超声波检测锅筒管座缺陷分布统计根据检测可知锅筒54个管座（包括给水管座、饱和蒸汽引出管管座、上升管管座）中，磁粉检测发现28个管座存在38处裂纹。超声波检测发现38根管座存在67处超标缺陷。其中磁粉检测与超声波检测缺陷重合的共有12处。占磁粉检测发现缺陷的31%，超声波检测的18%。其中缺陷处于管座上部或前部的缺陷占总数的74%。2、锅筒管座裂纹原因综合分析锅筒受力情况复杂，有结构、制造、安装上的、也有温度变化及内压引起的各种复杂应力交织在一起，当强度不能承受时就会产生裂纹、变形、爆破等。本次在该电厂1#锅炉锅筒发现的管座角焊缝裂纹，根据裂纹形态、现场检验发现的管座内部缺陷、锅筒外部接管管道受力的复杂情况以及其他检测结果综合判断，我们认为该裂纹为疲劳裂纹。2.1从锅筒焊接制造资料来分析该锅炉锅筒产生裂纹原因：我们在审查锅炉锅筒的焊接工艺评定及焊接记录时，发现给水管座、饱和蒸汽引出管管座及上升管管座的焊接过程中没有进行焊前预热。对于有淬硬倾向的钢材或板厚较大的构件，施焊前未进行预热，在焊接过程中就可能产生如下情况：（1）、冷却速度过快，不利于焊缝金属中扩散氢的逸出，易产生氢致裂纹。同时对焊缝及热影响区的淬硬程度影响也很大，降低了焊接接头的抗裂性。（2）、未进行预热，易造成焊接应力集中。因此，对于有淬硬倾向的钢材或板厚较大的构件，预热是防止裂纹，提高焊接质量的有效措施。同时预热可以降低焊接结构的拘束度，对降低角接接头的拘束度尤为明显，随着预热温度的提高，裂纹发生率下降。另外根据DL819-2002火力发电厂焊接热处理技术规程也规定：接管管座与主管焊接时应以主管的预热温度为主。因此我们认为该类管座焊接未根据锅筒筒体壁厚的预热要求进行焊接前的预热处理是产生管座角焊缝裂纹的重要原因之一。2.2从疲劳产生的力学成因来分析该锅炉锅筒产生疲劳裂纹原因：疲劳破坏必须具备三个必要条件:1、连续循环应力存在。2、应力集中存在。3、拉应力存在。在该电厂锅筒管座角焊缝处具备了上述三个条件，因此也就为在角焊缝处产生疲劳裂纹提供了必要条件。2.2.1、连续循环应力的存在：疲劳破坏与载荷应力循环特性有关，符合频繁波动的锅炉受压部件就易出现疲劳。根据资料审查可知该厂负荷波动并不频繁。因此可以排除锅炉因负荷频繁波动引起的疲劳裂纹。但是由于温度、压力的周而复始变化管座处产生循环应力也很明显。同时，由于锅炉运行中的震动也会产生连续循环应力存在。因此在锅炉的运行中总会或多或少的存在连续循环应力。且温度应力循环特征最明显，对疲劳起主导作用。这一因素在该电厂1#炉锅筒是存在的，也是所有锅炉在正常使用中不可避免的。2.2.2、应力集中的存在：内在原因与锅筒的管座角焊缝本身结构的一些特性和焊接工艺等有关。（1）角焊缝向锅筒筒节和管座过渡处有明显的截面积变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数要高。如果再加上角焊缝根部或焊缝内部存在夹渣、未熔合、未焊头和焊缝外观成形差等缺陷，在循环载荷作用下就容易在角焊缝的根部出现疲劳裂纹源。在福建省安溪煤矸石发电有限公司的锅筒管座超声波检测中发现锅筒的各个管座角焊缝中均存在着内部埋藏缺陷（可能是夹渣、未熔合、未焊头等），同时在现场的检验中也发现许多角焊缝的外观成形较差，有的还存在焊缝咬边的情况。由此可以得出，管座的角焊缝较多的内部缺陷和焊缝外观成形不良是引起该锅炉锅筒管座角焊缝产生疲劳裂纹的重要原因之一。（2）其他应力：锅筒外部接管的支撑不合理或支撑存在未完全受力，以及安装时的强力对接都是产生应力集中的主要原因之一。由锅筒外部的接管结构形式可知在管座的上部或前部是容易发生应力集中的部位，再由表面裂纹多数处在管座的前部或上部也可以映证在管座的前部或上部存在应力集中。由此可以断定管座的支撑存在不合理或支撑未完全受力以及安装时存在强力对接，这也是锅筒管座角焊缝产生疲劳裂纹的重要原因之一。2.2.3、拉应力的来源包括两个方面:1、介质压力；2、温度应力；3、其他应力。1、介质压力：锅筒承受的内压为11.4MPa，为锅筒的额定工作压力，锅筒内压产生的薄膜应力在管孔边缘也会产生应力集中，这是不可避免。2、温度应力：a.锅筒本身的受热情况比较复杂，锅筒下半部介质是水，而上半部是饱和蒸汽，两者对锅筒的上下壁的放热系数不同。同时由设计资料可知锅筒给水温度为280，而饱和蒸汽温度为321，因此锅筒上、下半部必然要由于膨胀量的不同而产生温度应力，而该温差应力也是不可避免的。b.由于锅筒使用的材料为P355GH，管座材料为20G（上升管管座为St45.8/各项性能与20G相当），为异种钢焊接。锅炉在受热后，由于不同钢种的热膨胀系数不同，膨胀量也会不同。根据锅筒管座开坡口的结构形式可知锅筒设计时并未考虑到该问题。因此管座极有可能存在由于不同钢种的焊接因各自受热膨胀量的不同而产生拉应力。3、其他拉应力：锅筒自重造成的弯曲应力。该应力的存在是不可避免的。综合以上分析，除去不可避免的因素外，可以得出该电厂1#锅炉锅筒管座疲劳裂纹产生原因如下：1、锅筒管座角焊缝焊前未进行预热；2、管座角焊缝存在较多的内部埋藏缺陷，且角焊缝成形不良，因此，角焊缝处形成应力集中，在循环载荷作用下就容易在角焊缝出现疲劳裂纹源；3、存在外部接管管道支撑不受力、支撑不完全受力或支撑不合理以及安装时管座与管道强力对接的情况。3、锅炉锅筒安装、制造及运行过程中防止疲劳裂纹产生的几点建议3.1、该类型锅炉锅筒制造方面的建议： 1、在对大壁厚的锅筒制造过程中应根据DL819-2002火力发电厂焊接热处理技术规程按照锅筒壁厚的要求进行焊前预热，而不是按照接管的要求执行。 2、在锅筒管座的焊接过程中应严格控制管座角焊缝的焊接质量，必要时应增加管座角焊缝的超声波检测。3.2、锅筒安装过程中的注意事项 1、尽量避免锅筒外部接管的强力安装； 2、锅筒外部接管的支吊架安装应做到管道受力合理。3.3、日常运行维护中对疲劳裂纹的防治措施 1、尽量避免紧