（大唐南京发电厂 南京 210059）
摘要：某电厂660MW超超临界#1机组锅炉投产运行19000小时，末级再热器先后发生3次爆管泄漏，且都发生在末再固定连接块部位。本文结合失效部件金属试验结果以及锅炉结构特点，对该部位失效原因进行了分析，并提出改造方案。
关键词：末级再热器；固定连接块；拉裂
1前言
某电厂660MW超超临界机组#1锅炉系哈尔滨锅炉厂制造的HG-2030/26.15-YM3型超超临界直流炉，采用П型布置、单炉膛、墙式切圆燃烧方式、一次中间再热，锅炉累计运行时间约19000小时。该锅炉末级再热器部位自投产以来已先后发生3次爆管事故，且泄漏部位都在末再管屏上部接近顶棚的固定连接块部位。为此我们对爆管段割管进行金属检验，并根据现场检查情况和锅炉结构特点进行爆管失效分析，查找失效根源，并提出改造方案。
2失效部件情况
图1.末级再热器管屏示意图
图2.末级再热器固定连接块示意图
图3.通过焊接连接的固定连接块
末级再热器管屏共70片，每片由11根管组成，呈W形顺流布置在炉膛出口水平烟道，主要管材为：进口段以SA-213TP347H为主、中间段以Codecase2328-1（S30432）为主、出口段以SA213TP310HCbN（HR3C）为主，外三圈管子规格为Ф63.5×4mm，其余4~11号管子规格均为Ф60×4mm（见图1）。W形中间上弯部位3号和4号管引出顶棚管，对管屏起到悬吊作用，为此在W形中间上弯部位除3、4号之间及此高度没有的1号管外，其余管子两两之间均设置了固定块焊接连接，固定连接块材质为0Cr25Ni20（见图2）。
表1.#1锅炉末级再热器泄漏统计
如表1所示，该机组末级再热器固定连接块部位先后三次拉裂泄漏，原始泄漏点都在4号管与5号管固定连接块的熔合线部位（见图4），而原始泄漏点所处管屏位置以及进、出口端并无明显规律性。此外检查中还发现连接块焊缝存在端部漏焊、咬边、气孔等焊接缺陷。
图4.前后三次泄漏原始泄漏点图片
3实验室分析
3.1化学成分分析
对拉裂的炉管母材进行化学成分分析，结果见表1，可见钢管成分符合TP347H(ASMESA213)技术要求。
表2.泄漏炉管化学成分
3.2金相分析
图5.泄漏部位金相组织
泄漏部位金相检查发现，裂纹起源于紧邻固定连接块角焊缝熔合线的管子母材处（相距0.05mm）,该处由于角焊缝结构及焊接应力存在很大的应力集中，对裂纹的产生和初期扩展有一定的促进作用，但主裂纹并非在最薄弱的熔合区扩展，而是远离熔合区域向内壁扩展，说明外载引起的外部应力才是裂纹扩展到主要原因，因为该管起着一定的悬吊作用，通过固定连接块承受着部分管子的自重，必然会在角焊缝处形成很大的拉应力，进而撕裂母材。由于高温下晶界强度下降，因此形成沿晶开裂的微观形貌。
4原因分析
4.1结构受力分析
从结构上分析，W形末级再热器管屏中间上弯部位靠引出顶棚的3号和4号管承重，因此该处管屏之间的固定连接块焊缝起到重要的连接和承载作用，由于3、4号之间没有设置固定块焊接连接，即3、4号管各自单独承载，3号管主要分担的是1~3号管3根管子的重量，而4号管则需承担4~11号管8根管子的重量，换言之，4号管与5号管之间的固定连接块焊缝受力最大，这是#1炉末再目前中间吊点处固定连接块焊缝3次拉裂泄漏均发生在出口段或进口段的4号、5号管的主要原因。此外，3、4号悬吊管是分别通过两只S形弯管从两侧绕过本屏其他管子引出顶棚悬吊的，必然对固定连接块焊缝端部产生一定的附加弯矩和扭转应力。#1炉现场检查发现进出口管屏的3、4号管之间的滑动夹块脱扣较多，从另一个侧面证明，3、4号管之间受力及热膨胀变形差异较大。
此外，现场除3、4号管以外其它各管之间的滑动夹块也发现较多脱扣现象，滑动夹块出现脱扣时，相邻二根管间的相对运动将不受限制，使得管间的相对运动更大。从现场检查看末再换热管屏左右晃动时受约束力较小，同时管间相对运动也较容易，在运行中受烟气流动激振的作用，末再管屏会产生较大幅度的晃动。4~11号管间各管因相对运动引起的附加交变应力（管屏的左右方向）也会通过固定连接块部分叠加到第4、5号管间固定连接块上，促使定位块焊缝较早地产生裂纹，产生的裂纹较快地发展。
4.2焊接结构和工艺设计
将该锅炉的末级再热器图纸与三菱原设计图纸进行了比较，发现末级再热器中间吊点处4、5号管之间的固定连接块焊接结构存在较大差异。
该锅炉末级再热器中间吊点处的所有固定连接块为同一结构，均采用Ф10mm的圆钢（材料0Cr25Ni20）在与管子接触的四角焊接（如图6）；而三菱原设计图纸中末级再热器中间吊点处4、5号的固定连接块焊接结构与其他管间的固定连接不同，采取先分别用一块9*9.5*100mm的不锈钢条与管子焊接，进行固溶处理后，这两块固定块最后在现场焊接（见图7）。
图6该锅炉末再换热管间固定连接块焊接结构详图
图7三菱原设计图纸4、5号管之间固定连接块焊接结构图
固溶处理可以使奥氏体不锈钢原材料及焊缝组织和成分均匀一致，消除内应力，提高塑韧性。固溶处理不但可使不锈钢耐蚀性能恢复到最佳状态，还可以显著提高不锈钢焊接接头的蠕变—疲劳寿命。因此，对应力集中显著的4、5号管的固定连接块焊缝进行焊后热处理可显著提高焊接接头的蠕变—疲劳寿命。
该锅炉末级再热器中间吊点处4、5号管之间的固定连接块采取了简化结构和工艺措施，很可能也取消了原设计要求焊后热处理工艺，因此对焊接接头的蠕变—疲劳寿命有较大的影响。
4.3焊接缺陷的影响
对固定连接块焊缝进行检查发现，由于固定块连接处管间距较小，部分不足10mm，因此在固定连接块焊接时不可避免存在一些诸如端部漏焊、未填满、咬边等焊接缺陷，这些焊接缺陷对焊缝承载也有严重的不利影响，极有可能成为焊缝开裂的起源。
5结论
该锅炉末级再热器中间吊点处4、5号管间的固定连接块焊缝频繁拉裂泄漏主要原因是由于末再管屏的承重结构设计存在应力分担不平衡的问题，造成部分管子结构焊缝受力较大，而制造厂对固定连接块焊接结构和工艺不合理以及固定块焊接缺陷导致的应力集中加剧，降低了焊接接头的蠕变—疲劳寿命，此外管屏滑动夹块较多脱扣，可能形成左右方向的附加应力，也是4、5号管固定连接块焊缝容易失效的原因之一。
6处理方案
结合停机检修对脱扣的管屏滑动夹块进行修复，对原有固定连接块焊缝进行全面无损探伤检查，不合格处重新修复。
针对上述失效分析结论，同时考虑设备结构、施工周期和难度等因素，合理提出结构改造方案：通过在锅炉末再原固定连接块位置增加一排固定块，能有效改善个别管子固定连接块焊缝承载过大或承载不平衡的问题，降低应力集中水平，防止焊缝早期失效。
图8 固定连接块结构改造图
由失效分析可知，原固定连接块受力由管屏中间向两侧逐渐减小，因此根据力学模型核算，改造中在末再管屏进、出口两侧第4～8根管之间增加一排固定连接块(如图15所示)，固定连接块材料为0Cr25Ni20，熔焊金属选用ER347H。新增的固定连接块所有焊缝必须保证焊缝质量，端部焊接圆滑过渡，不能出现漏焊、咬边、气孔等缺陷。
7结束语
通过对该电厂#1锅炉末级再热器固定连接块拉裂问题分析，有针对性的提出了对末级再热器中间吊点处的管屏承重结构的优化改造方案，有效改善了个别管子结构焊缝承载过大或承载不平衡的问题，对应力集中显著的关键部位进行强化，提高关键部位的蠕变—疲劳寿命。该锅炉已按改造方案进行优化改造，目前情况良好。
作者简介
钱玉君（出生年-1976年5月），男，南京市，高级技师，从事火力发电厂金属技术监控工作。
论文作者:钱玉君
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：应力论文; 锅炉论文; 结构论文; 部位论文; 裂纹论文; 金相论文; 顶棚论文; 《电力设备》2018年第20期论文;