dg1025-18.2型锅炉再热器集箱连接管弯头焊缝裂纹原因分析

1/8DG1025/182型锅炉再热器集箱连接管弯头焊缝裂纹原因分析刘红文1，伍明生2，靳勇强21广东省电力试验研究所，广东广州510600；2湛江发电厂，广东湛江524099摘要通过分析湛江发电厂1号、2号锅炉再热蒸汽系统的结构、运行工况和弯头的端部结构，判断锅炉再热器集箱连接管弯头缝纹的性质是热疲劳断裂，是由于管的局部应变集中和壁温差大造成的，据此，提出相应的防止措施。关键词锅炉；集箱；连接管道；弯头；微量喷水减温器；焊缝；裂纹湛江发电厂1号、2号锅炉为东方锅炉厂设计制造的DG1025/3型亚临界、中间再热、自然循环、燃煤汽包炉。2002年6月，1号锅炉乙侧再热蒸汽微量喷水减温器后部弯头环焊口发生泄漏，导致1号机组停机。停炉后检查甲侧的连接管道弯头环焊口也产生裂纹。2002年7月临时检修时，对2号锅炉相同部位甲、乙两侧的两个弯头环焊接头进行检查，同样也发现弯头的环焊缝均产生裂纹。至发现裂纹时，1号、2号锅炉分别累积运行时间约104H和104H。1锅炉再热系统2/8再热器分三级加热布置，壁式再热器布置在炉膛出口水冷壁前墙及两侧墙上，中温再热器、高温再热器顺流依次布置在炉膛出口折焰角的上方。再热器汽温的调节以摆动燃烧器喷口为主,辅以喷水减温。为此，在壁式再热器出口至中间再热器进口左右连接管上设置了微量喷水减温器，用作细调与控制左右汽温偏差，为了保护壁式再热器，在壁式再热器进口导管上设有事故喷水减温器。再热器喷水减温器为喷头式，在其筒身内的喷嘴后衬有一个内套筒。再热蒸汽系统流程为汽轮机高压缸排汽事故喷水壁式再热器微量喷水减温器中温再热器高温再热器左右引出管再热蒸汽母管。其中再热微量喷水减温管系结构按蒸汽的流程，由以下零件焊接而成壁式再热器出口集箱的三通管A、弯头A、微量喷水减温器、弯头B、中温再热器进口集箱的三通B，以上承压部件的设计材料均为20G，焊接成为整体。管系结构见图1。壁式再热器出口集箱规格为MM25MM，用二个三通A焊接成形结构，二个三通A的距离为9747MM。中温再热器进口集箱规格为MM25MM，用二个三通B焊接成形结构，二个三通B的距离为6058MM。连接管道规格为MMMM，其中微量喷水减温器布置在连接管道中部，3/8规格为MM30MM。2检验结果分析宏观检查A支吊架检查壁式再热器出口集箱、连接管道和中温再热器进口集箱系统的支吊架正常，未发现支吊架卡死和脱落现象。B裂纹检查裂纹均产生于弯头B和三通连接焊缝的弯头母材侧，表面裂纹沿焊接熔合线及附近扩展，同时向内壁扩展见图2。乙侧弯头B的表面裂纹约长120MM；甲侧弯头B的表面裂纹呈180的弧形，裂纹深度约67MM。在宏观裂纹处向下打磨约1MM后，用酸溶液显示出焊接热影响区宽度约为34MM，裂纹处于热影响区。光谱分析及超声波探伤光谱分析弯头B、焊缝和三通B的材料均为碳钢，用超声波探伤仪检查弯头B焊口附近内壁，未发现内壁裂纹。硬度测试管道表面最终经600号砂纸磨光后，用便携式里氏硬度计进行硬度测量，测量结果列于表1。4/8从表1的试验结果可看出在上述连接管道的几个零件中，弯头B的平均硬度值最低HB123，其它零件的硬度均大于HB140，弯头管B的热影响区硬度为HB144，低于焊缝、三通焊接热影响区的硬度，把弯头管B的硬度值换算成强度极限B401MPA，已接近20G材料技术条件的下限。3裂纹产生原因分析设计和运行参数分析锅炉在设计最大负荷MCR时，给水温度为275，壁式再热器出口汽温为389，微量喷水减温器的设计喷水量为4T/H，喷水后汽温为374，壁式再热器出口集箱的壁温和中温再热器进口集箱的壁温之差为15；在设计额定负荷ECR时，给水温度为269，壁式再热器出口汽温为365，喷水后汽温为360，壁式再热器出口集箱和中温再热器进口集箱的壁温之差为5。1号、2号锅炉高温再热器长期处在超温运行的工况，由于燃烧器摆角执行机构失效，再热蒸汽温度调节只能靠微量喷水减温实现，故此导致再热器微量喷水减温投入异常增大。锅炉在一般实际负荷下200MW以上,实际喷水量为1820T/H，壁式再热器出口集箱的壁温和中温再热器进口集箱的壁温之差达100左右。每当高温再热器5/8出口汽温超过规定值时，微量喷水减温器自动投入喷水，降低中温再热器的进口汽温，因此，在实际运行中，因为间断地喷水降温，中温再热器进口集箱的壁温一直处于较大波动的状态中，而壁式再热器出口集箱的壁温波动相对较小。热膨胀分析壁式再热器出口集箱和中温再热器进口集箱的设计壁温差为15时，可出现以下两种情况A三通A的热胀量设计温度389垂直锅炉对称中心线方向为MM，平行中心线方向为MM，垂直水平面方向为MM；B三通B的热胀量设计温度374垂直锅炉对称中心线方向为MM，平行中心线方向为MM，垂直水平面方向为MM。三通A和B的热胀差通过连接管通协调变形，其中垂直锅炉对称中心线的热胀差影响最大。由于实际运行中低温再热器出口集箱和中温再热器进口集箱的壁温差达100左右，实际壁温差是设计壁温差的倍，三通A和B的垂直锅炉对称中心线方向的热胀差会明显增大。弯头端部结构分析弯头B由钢板压制成两半圆体对接焊成，弯头B壁厚不得小于MM。弯头B端头车削成MMMM的圆环，6/8弯头B端头尺寸及端头对接处焊缝坡口尺寸见图3。从图3中的尺寸中可计算分析毗邻焊缝的弯头端头存在一个壁厚明显减薄的窄圆环，该窄圆环的壁厚为MM，宽为0MM，正处于弯头焊接热影响区。该薄壁窄圆环壁厚仅为弯头设计壁厚的。紧挨该区是壁厚从MM增至弯头锻压后实际厚度的过渡区。裂纹产生机理根据现场的宏观检查，无损检验和资料调研结果，可以判断弯头裂纹的性质是由于管系局部应变集中和壁温差大的综合作用而诱发的热疲劳断裂，其影响因素是A弯头B焊缝附近存在结构性的薄壁窄圆环，其壁厚仅为弯头设计壁厚的，是管系中壁厚最薄的环节，成为管系中应变集中的区域；B壁式再热器出口集箱、连接管道和中温再热器进口集箱的结构为三者合一的整体焊接管系，存在热胀约束，当壁式再热器出口集箱和中温再热器进口集箱的壁温差明显高于设计值时，就会产生较大的热应变；C弯头B的硬度和屈服强度是管系中最低的，这使弯头端头的薄壁窄圆环材料的抗应变能力降低。由于减温水与高温蒸汽混合后，使得流经减温器7/8前后的蒸汽温度差约有100，势必在减温器尾部的弯头上产生较大的温度应力，与弯头连接管焊缝焊接残余应力叠加，产生很大的内应力。随着炉子的起停和运行中减温水的增减，弯头上连接管焊缝残余应力在较大交变温度应力的叠加下，使材料产生疲劳，导致部件在应力集中或强度薄弱部位即弯头的薄壁窄圆环产生疲劳裂纹，上述几种因素造成了再热蒸汽连通管弯头开裂早期失效事故的发生。4防止对策及建议针对再热蒸汽减温器后部弯头裂纹产生的原因分析，提出以下建议A在弯头端头增敷焊缝，使焊肉延伸至车削的圆弧R5处，敷焊层厚需35MM，增加该区域的抗应变能力，使热应变分散。B恢复燃烧器摆动机构调整锅炉燃烧的功能，采用合理的运