浅谈锅炉高温过热器联箱接管座角焊缝裂纹原因

赵 瑞

（山西大唐国际云冈热电有限责任公司，山西 大同 037039）

锅炉高温过热器联箱接管座角的焊缝出现裂纹，会导致裂纹的不断扩展，使得过热器发生管爆事故。管爆事故的发生，不仅会给机组设备带来不可挽回的经济损失，同时也会给锅炉的经济安全生产带来潜在危险。本文对某发电站的6号锅炉的高温过热器联箱接管座角焊缝裂纹的原因展开深入分析，主要是从结构设计、焊接质量和运行管理方面进行深入探讨，并结合实际原因，进行了锅炉结构方面的改造。实践表明[1-3]，所改造后的锅炉运行状况良好，其高温过热器联箱接管座角焊缝裂纹的出现频率大大降低。

1 设备概况

某发电站6号锅炉设备由固态排渣、单汽包和自然循环煤粉炉组成，其设备布置形状为T字形左右布置。该锅炉的主要参数如下：锅炉的再热蒸汽进口压力为2.65MPa，进口温度为327℃；再热蒸汽出口压力为2.5 MPa，出口温度为545℃。该锅炉的蒸汽流程为：蒸汽最开始从汽轮机的高压缸引出，之后通过两条管路达到锅炉内部，锅炉内的蒸汽分作两股通过调节汽阀进入过热器，在直接送至再热器的低温段，之后交叉进入过热器高温度段，由导温管进入位于左右两侧的再热器联箱，最后通管路进入汽轮机的中压缸。其中，高温过热器对称分布于炉膛出口处，呈现左右前后四角布置。

2 设备锅炉高温过热器联箱接管座角焊缝裂纹问题产生

该锅炉设备投产23年间，由高温过热器联箱接管座角焊接裂缝导致的事故问题频繁——根据统计，23年间，由此导致的过热器管爆泄漏事故为55起，且事故发生的频率在逐年增加。其中，联箱外侧第一根产生裂纹导致泄漏的事故为47起，是事故发生的主要区域，约占85.5%；联箱外侧第二根与第三根产生裂纹导致泄漏的事故分别为5次和3次，分别占9%和5.5%.联箱接管座角焊缝裂纹的产生，造成过热器发生泄漏，导致机组的运行停止，对生产造成很大经济损失，同时泄漏事故的发生，对于整个机组的安全生产造成威胁。

经过数据统计，平均每次的事故检修工作的耗费约为73.6万元，其平均检修过程中所导致的直接经济损失高达136.8万元。通过这个数据可以看出，如何有效地减小锅炉设备的高温过热器联箱接管座角焊接裂缝事故的发生，对于实际生产应用有着非常重要的意义。

3 锅炉高温过热器联箱接管座角焊缝裂纹问题原因分析

针对6号锅炉投产以来的事故发生进行原因调查与分析，通过对该发电厂6号锅炉高温再热器在原始设计方面、运行管理方面和联箱接管的泄漏特征方面展开深入研究，发现该机组在启停过程中，高温再热器联箱接管座角焊缝处出现了很多裂纹，这是导致过热器泄漏事故的直接原因。与此同时，对于高温过热器接管座角焊接裂缝处的裂纹出现原因进行了分析，其主要原因有以下几点。

3.1 管排结构

由事故发生的部位统计可知，联箱外侧第一根管排是事故发生的主要原因，其次为第二根与第三根。由此可以看出，高温过热器的管排直接相连的是联箱出入口，锅炉顶部固定有管排的中间吊挂。可见联箱出入口管排无其他固定吊挂。因此导致联箱管排角的焊缝处承受管排自身重力所产生的剪切应力。根据实际的数据统计，该连相关出口处第一次应力值最大为119.565 MPa，这明显高于其许用一次应力值77.0 MPa；同时热态下的二次应力值最大为285.208 MPa，相对于许用二次应力值268.8 MPa要高。由此可见，由于高温过热器管排的额外剪切应力作用，使得联箱启停时，导致的一二次应力值明显高于许用应力值，使得座角焊缝处处于负荷状态，最终导致焊缝处裂纹产生。管排的最外侧第一根所承受的剪切应力作用最大，因此其座角焊缝处出现裂纹的可能性最大。

3.2 联箱导汽管结构

该发电厂6号锅炉的炉顶两侧位置均设置有两根高温再热器集汽联箱。由此可以看出，6号锅炉左右两侧各有16根高温再热器出口联箱导气管联接在集汽联箱。其中，4，4a、9，9a处为4个导汽管大的固定点。锅炉在运行过程中，高温再热器的出口联接处会随着锅炉的运行而前后左右移动，然而其导汽管上部的集汽联箱的运动只能在前后方向。由此可知，导汽管运动过程中会在座角的焊接处产生一个大的扭矩，正是由于这个扭矩的长期作用，导致了座角的焊接处容易产生裂纹。

经过实际计算可知，当高温再热器的运行过程中出现故障导致上部的集汽联箱无法运动时，已知管排的角焊缝处的许用应力在103.054 MPa左右，接近座角焊接处部位的许用应力为115.5 MPa左右，由此可以计算出锅炉启停瞬间所造成的应变扭矩越为13 000 N·m左右。如此大的扭矩左右于管排时，其最薄弱处即座角的焊接处就会导致裂纹产生。

3.3 其他原因导致的座角焊缝裂纹3.3.1 管排的焊接缺陷

高温再热器与联箱排管之间的焊接通常是采用插入式的焊接方式。这种焊接方式属于未焊透式焊接结构，采用这种焊接方式的原因在于确保联箱运动过程的灵活性。正由于如此，其焊接部位的根部正是结构的最薄弱点。在锅炉的正常运行过程中，其薄弱点就成为最容易导致裂缝的产生的部位。

3.3.2 锅炉启停过程导致的交变应力值过大

机组的启动与停止过程，锅炉的前侧高温再热器的出口温度瞬间变化值很大，甚至会多次超出所规定的温度值。这必然导致机器启动与停止瞬间温度应力值过大，长久如此，对于结构的损伤会进行累加，加重了结构薄弱点处的破坏。

综上所述，该发电站6号锅炉的高温再热系统排管以及集汽联箱支架设计存在一些不合理之处。如何解决高温过热器联箱接管座角处焊接裂纹的问题，值得进一步进行研究，以下将会提出一些改进方面的设想。

3.4 高温锅炉过热器联箱接管座角焊接裂纹的改进措施

可以在高温再热器出口排管处安装一个自动调节的弹簧装置，减弱由于启动停止过程中所导致的很大扭矩，从而减小座角焊接处的瞬间应力，减小其裂纹产生。同时在吊装管排部位设置一个均匀的横装调板，这样可以使得管排整体受力均匀。我们知道，当管排受到很大的瞬间温度应力时，弹簧吊装系统的存在，可以大大减弱锅炉过热器联箱接管座角焊接处的作用力，达到保护座角焊接处的作用。

4 结束语

本文重点对某电站的6号锅炉高温过热器联箱接管座角焊缝出现裂纹的原因展开了分析，其中主要包括：①锅炉结构所导致的焊接处裂纹的产生，即高温过热器的管排直接相连的是联箱出入口，锅炉顶部固定有管排的中间吊挂。可见，联箱出入口管排无其他固定吊挂，因此导致联箱管排角的焊缝处承受管排自身重力所产生的剪切应力。②导汽管结构的原因，即导汽管在机组启停过程中所承受的瞬间温度应力作用。③锅炉在运行过程中的原因，即锅炉自身焊接的原因。

通过对于座角焊接处裂纹产生的原因的深入分析之后，本文给出了相应的解决措施，即通过增设弹簧装置和吊板设置来有效地保护座角焊接处，减弱由于一些作用而导致的裂纹产生。

[1]张轮，张东文，李瑞峰，等.锅炉高温过热器联箱接管座角焊缝裂纹原因分析[J].金属加工研究与应用，2010（7）.

[2]胡新芳，岳增武，薛琦，等.联箱管座角焊缝裂纹原因分析[J].山东电力技术，2008（5）.

[3]邵群，孙春晖.高温再热器联箱管排角焊缝泄漏原因分析与改造措施[J].河北电力技术，2008（2）.