燃煤發(fā)電鍋爐疏水管座泄漏原因及優(yōu)化布置

陳 捷，陸 云，李 駒

（1.上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200137；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437）

隨著電力工業(yè)的高速發(fā)展，大容量、高參數(shù)機(jī)組投建愈來愈多。由于發(fā)電鍋爐過熱器、再熱器等設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣、負(fù)荷變化大、啟動(dòng)頻繁等原因，經(jīng)常發(fā)生泄漏現(xiàn)象，造成機(jī)組“非?！爆F(xiàn)象。近年來，鍋爐設(shè)備大管道上的疏水管，尤其是一次安全門前的管座焊口，承受著主管道相同的溫度和壓力，由于其焊接質(zhì)量、結(jié)構(gòu)應(yīng)力的原因造成焊口開裂，發(fā)生蒸汽泄漏，嚴(yán)重影響機(jī)組及人員安全。

1 發(fā)電鍋爐疏水管座目前檢查情況

上海某發(fā)電廠2013年3月對(duì)5B02一級(jí)熱器集箱上疏水管角焊縫進(jìn)行檢查，前側(cè)集箱A→B第1根疏水管角焊縫處外漏（環(huán)向、1／3圈，爐前看3點(diǎn)位置，見圖1），擴(kuò)大檢查發(fā)現(xiàn)后側(cè)集箱A→B第1、3根疏水管角焊縫裂紋（環(huán)向、1／3圈，均位于爐前看3點(diǎn)位置），挖補(bǔ)處理。其余疏水管樁頭管座角焊縫MT檢查（3個(gè)）無異常情況。

圖1 疏水管角焊縫裂紋1

2014年1月，由于一級(jí)過熱器疏水管角焊縫泄漏，造成5號(hào)爐5T1401調(diào)停檢修。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，前側(cè)集箱A→B第3根疏水管角焊縫處外漏（環(huán)向，1／3圈，爐前看9點(diǎn)位置），見圖2。后經(jīng)相關(guān)專家討論后，一致同意將前／后側(cè)集箱A→B第1、3根全部更換為加強(qiáng)型樁頭管座，見圖3。

上述兩次泄漏點(diǎn)都是在疏水管角焊縫于熔合線處開裂（靠近疏水管測(cè)），均為周向裂紋。從裂紋的位置來看（爐前方向看），均為靠近3點(diǎn)或9點(diǎn)位置，即裂紋位置產(chǎn)生于管座的左右側(cè)方向，及沿著集箱本體軸線方向。在集箱系統(tǒng)中的管系布置如圖4所示。

圖2 第3根疏水管角焊縫裂紋

圖3 更換后疏水管角焊縫

圖4 外漏及檢查發(fā)現(xiàn)疏水管角焊縫位置1

2012年11月，上海某電廠6號(hào)爐一級(jí)過熱器后側(cè)集箱A側(cè)往B側(cè)數(shù)第3根疏水管角焊縫發(fā)生泄漏，造成機(jī)組停機(jī)搶修。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)該處疏水管座角焊縫存在系環(huán)向裂紋（1／3圈，爐前看9點(diǎn)位置）見圖5，后經(jīng)挖補(bǔ)處理。

圖5 疏水管角焊縫裂紋現(xiàn)場(chǎng)照

2013年9月，6號(hào)爐6T07調(diào)停檢修，一級(jí)過熱器后側(cè)集箱A→B第1根疏水管角焊縫處外漏（環(huán)向，1／3圈，爐前看3點(diǎn)位置），其余滲透探傷檢查發(fā)現(xiàn)前側(cè)集箱A→B第1根表面裂縫（環(huán)向，1／5圈，深度1mm，爐前看9點(diǎn)位置）、前側(cè)集箱A→B第3根表面裂縫（環(huán)向，1／5圈，深度2mm，爐前看3點(diǎn)位置）、后側(cè)集箱A→B第3根表面裂縫（環(huán)向，1／5圈，深度1mm，爐前看3點(diǎn)位置）；后經(jīng)挖補(bǔ)處理。如圖6所示。在集箱系統(tǒng)中管系布置如圖7所示。

圖6 疏水管角焊縫裂紋現(xiàn)場(chǎng)照

圖7 外漏及檢查發(fā)現(xiàn)疏水管角焊縫位置2

2 疏水管管座泄漏原因分析

從上述的實(shí)際案例可以看出，管座角焊縫泄漏點(diǎn)都是在疏水管角焊縫于熔合線處開裂（靠近疏水管測(cè)），均為周向裂紋。從裂紋的位置來看（爐前方向看），均為靠近3點(diǎn)或9點(diǎn)位置，即裂紋位置產(chǎn)生于管座的左右側(cè)方向，及沿著集箱本體軸線方向。綜合各方面的考慮，主要由于過熱器集箱本身的熱膨脹、冷收縮的應(yīng)力與啟停時(shí)的振動(dòng)應(yīng)力交互、共同作用下而導(dǎo)致管口焊縫開裂。

（1）通常機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，集箱本體受熱后產(chǎn)生一個(gè)沿集箱軸線方向兩端膨脹的熱應(yīng)力。（集箱本體徑向應(yīng)力方向也存在，由于力的方向?qū)茏缚p影響不大），且該膨脹應(yīng)力沿集箱軸線向兩端傳遞，越到集箱兩端面，熱膨脹應(yīng)力越大（中間的疏水管座均未發(fā)生開裂現(xiàn)象也是一個(gè)佐證）。對(duì)疏水管座來而言，在其管座的3點(diǎn)或9點(diǎn)的位置產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。（停機(jī)時(shí)應(yīng)力分布情況和啟動(dòng)時(shí)剛好相反，反復(fù)啟動(dòng)和停機(jī)就產(chǎn)生這樣一個(gè)交變應(yīng)力作用）。

（2）該疏水管的擾度不夠。當(dāng)集箱本體在膨脹和收縮時(shí)，如果疏水管子的長(zhǎng)度或彎頭足夠多和足夠長(zhǎng)，管子就可以隨著集箱一起自由膨脹和收縮，消除一部分膨脹應(yīng)力，使其應(yīng)力分布達(dá)到一個(gè)允許的范圍內(nèi)。即管系擾度足夠，就可以避免。

（3）開裂的管座均位于集箱的兩端，即蒸汽的進(jìn)口處。啟停時(shí)，兩端氣流的振動(dòng)產(chǎn)生的各個(gè)方向的振動(dòng)應(yīng)力也是管座疲勞開裂重要原因之一。

3 防范措施及優(yōu)化布置

3.1 采用加強(qiáng)型樁頭管座

與原有管座相比較，采用加強(qiáng)型樁頭管座有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）管座內(nèi)徑保持不變，壁厚由原來的8mm增加至23mm，管座處材料的強(qiáng)度大大增加，其抗裂性能隨之增加。（2）中間過渡段可以增加管段的擾度，有利于焊接、熱處理和無損檢測(cè)。對(duì)接焊縫與管座焊口之間的直管段盡可能長(zhǎng)，管段大小過渡段的斜邊盡可能長(zhǎng)。采用該種方式進(jìn)行改造后，截止目前電廠的該處疏水管座未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象（見圖3）。

3.2 改變管系的走向，增加整體管系的擾度，減小應(yīng)力集中區(qū)域

該疏水管的擾度不夠。當(dāng)集箱本體在膨脹和收縮時(shí)，如果疏水管的長(zhǎng)度或彎頭足夠多和足夠長(zhǎng)，管子就可以隨著集箱一起自由膨脹和收縮，消除一部分膨脹應(yīng)力，使其應(yīng)力分布達(dá)到一個(gè)允許的范圍內(nèi)。即擾度足夠，就可以避免。

由于集箱與疏水端有較大溫度偏差，經(jīng)查閱圖紙、材料手冊(cè)和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)得出，鍋爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，過疏水管膨脹量達(dá)11.84mm。由于在機(jī)組啟停時(shí)，周期變化的熱應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。將D1、D3管座角焊縫結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，進(jìn)行設(shè)計(jì)上改造。如圖8，圖9所示。

圖8 疏水管優(yōu)化布置示意圖1

圖9 疏水管優(yōu)化布置示意圖2

通過該種優(yōu)化布置的方法，將原先直角彎處進(jìn)行集中應(yīng)力釋放，在對(duì)管座重新打磨堆焊的基礎(chǔ)上，加裝π型彎頭，增強(qiáng)管道柔性，減少應(yīng)力應(yīng)力集中。截止目前，設(shè)備沒有發(fā)生再次泄漏情況。