某电厂辅汽联箱焊缝失效分析及处理

叶飞 张越

摘 要 某电厂的辅汽联箱出现了焊缝频繁开裂、管道翘曲的失效现象，本文采用宏观形貌分析、化学成分分析、金相分析以及维氏硬度分析等方法对焊缝开裂的原因进行了检测，并通过结合有限元仿真分析来表明管道翘曲引起了焊缝应力异常，进而导致管道内壁角焊缝热影响区出现穿晶型的裂纹。为了降低运行和检修风险，提高经济效应，本文对该辅汽联箱进行了改造处理。

关键词 辅汽联箱;管道焊缝;裂纹分析;结构改造

前言

作为输送特殊介质的特种设备，压力管道的安全性是至关重要的。某火力发电厂的600 MW机组，其锅炉的型号为HG-1900/25.4-YM4，经检查发现该机组辅汽联箱四个锻制三通的环形管道焊缝在运行过程中出现频繁开裂漏气的现象，严重威胁了该机组长期运行，具有较大的安全风险。

1理化性能分析

依据《容检规》的规定，当检验发现焊缝表面裂纹时，若需要进行焊缝埋藏缺陷部位的检测，应对样品进行扩展检验项目[1-3]。因此，我们首先对焊缝进行了以下的理化分析：

1.1 宏观形貌分析

焊缝的宏观形貌如图1所示。由图可见：样品裂纹位于焊缝与母材结合处，呈环向开裂，裂纹在内壁长约10 mm，内壁其他部位宏观均未见裂纹缺陷;外壁焊缝处进行过补焊，未见明显缺陷。

1.2 化学成分分析

按照GB/T 223-2000《钢铁及合金化学分析方法系列国家标准》对管样进行化学成分分析，结果如表1所示。可以看出管样的化学成分符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》对20号钢管的要求。

1.3 金相分析

样品内外壁（去除补焊块）及组织的金相形貌如图2所示，结果表明样品从管道内壁角焊缝热影响区开裂，裂纹沿壁厚方向向管道外壁和环向扩展;此外，样品焊缝部位存在多处空洞及裂纹，裂纹呈穿晶型，主裂口附近存在二次裂纹，但样品的焊缝、热影响区和母材组织均未见异常。

1.4 维氏硬度分析

我们按照GB/T 4340.1在HVS-50型维氏硬度机上对金相样进行维氏硬度试验，试验载荷为30 kgf，保载时间12秒，结果如表2所示。可以看出，管道样品的母材硬度符合DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》对20钢管硬度126～168 HV的要求，环焊缝处硬度符合DL/T 869-2012《火力发电厂焊接技术规程》对焊缝的要求，即同种钢焊接接头热处理后焊缝的硬度，不超过母材布氏硬度值加100 HB，且合金总含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于284 HV。

2失效原因分析

经过详细分析，辅汽联箱焊缝频繁开裂的原因主要为以下三点：

（1）辅汽联箱内长期存在积水，管道内部与蒸汽接触部分和与积水接触部分温度不均，使管道发生翘曲，进而使焊缝应力异常，母管及其附件疲劳损坏，如图3（a）所示。

为此，我们采用有限元软件ABAQUS对20号钢管Φ377×9进行了失效仿真模拟，材料模型采用碳素钢弹塑性模型[4]，弹性模量206 GPa，泊松比0.3，密度7.8 g/cm3，屈服应力设为206 MPa，热传导系数为1.2e-7;对钢管底部外侧进行固支约束，依据现场实验及测定设定积水区域钢管温度为180?C，其余区域钢管温度范围为180～340?C，钢管顶部区域温度为340?C。可以看出，如图3（b）所示，钢管由于温度不均出现翘曲变形，与实际观察情况相吻合。

（2）如图4（a）所示，辅汽联箱从#01固定支架至#06滑动支架间的水平距离约25 m，在较长的管线上布置了4组导向支架、2组滑动支架会造成管线刚度较大而柔性不足的结构变形不协调现象。

（3）管线接口较多，辅汽联箱水平段有6个三通管件，且各个管端对辅汽联箱均有推力，当几个管端对辅汽联箱的推力不协调时容易使辅汽联箱发生扭曲变形，导致结构的受损和功能失效。

3改造处理

为了解决辅汽联箱频繁开裂的问题，降低运行和检修风险，提高经济效益，如图4（b）所示，结合管线结构布置所存在的缺点和安全隐患，我们对辅汽联箱进行了以下改造：

（1）在辅汽联箱两处最低点增加四路自动疏疏水管路来防止联箱内积水，疏水排入炉主蒸汽吹灰疏水母管后，再排入疏水扩容器。

（2）在辅汽联箱上增加一个Π型弯管，并在Π型弯管两侧直管段处加装框式导向支架，利用Π型弯管吸收水平段热位移来增加管线的柔性。

4结束语

本文采用宏观形貌分析、化学成分分析、金相分析以及维氏硬度分析等方法，本文针对某电厂辅汽联箱焊缝频繁开裂进行失效原因检测及有限元模型分析，发现管道温度不均引起焊缝应力异常，进而导致管道内壁角焊缝热影响区出现了穿晶型的裂纹。通过对辅汽联箱进行增加自动疏水管道和Π型弯管等结构改造处理，以确保该机组的安全稳定运行。

参考文献

[1] 董志莲，张树基.锅炉主汽集汽联箱管座缺陷的焊接修复 [J]. 华北电力技术，1997（8）：60-62.

[2] 陈洪君.中温中压锅炉集汽联箱管座角焊缝裂纹分析 [J]. 锅炉制造，2001（3）：21-23.

[3] 邓辉.高温再热器出口联箱管座角焊縫开裂原因分析 [J]. 华电技术，2019（8）：74-77，80.

[4] 金朝阳，崔振山.低碳钢热塑性成形过程本构模型 [J]. 上海交通大学学报，2010（4）：6-10，15.

作者简介

叶飞（1983-），男;毕业院校：江苏大学，学历：本科，职称：工程师;现就职单位：浙江浙能嘉兴发电有限公司，研究方向：电厂热能动力工程。