某锅炉侧墙下集箱管座失效分析

谢航云

(国电科学技术研究院，江苏南京210046)

某锅炉侧墙下集箱管座失效分析

谢航云

(国电科学技术研究院，江苏南京210046)

结合集箱管座角焊缝的受力特征，分析锅炉异常工况和管子泄漏后振动对集箱系统受力状态的影响，认为本次集箱管座的失效的主要原因是机组负荷波动较大，建议调整集箱系统受力状态，控制负荷波动并加强相关部位的检测。

锅炉集箱;管座;失效分析;异常工况

1 概况

某2号炉为SG－1913/25.4－M966型超临界参数、变压运行、螺旋管圈、单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型、露天布置的燃煤直流炉，其主要参数见表1。

表1 锅炉主要技术参数

2号炉于2007年7月投入商业运营，至2014年1月锅炉后烟井侧墙下集箱管座(下称管座)处泄漏，累计运行约41772h，启停44次。

2 泄漏基本情况

后烟井侧墙下集箱后端管座角焊缝泄漏，集箱左、右侧向下第1～14号共28个管座角焊缝的管座侧熔合区出现裂纹。裂纹均发生在角焊缝向火侧上部，中心点基本在时钟12点位置;裂纹深度和长度自炉前向炉后逐步增加，最大裂纹长度达到二分之一管径;靠炉后端右侧后数第1、3根管座角焊缝处裂纹已贯穿管壁。

3 原因分析

3.1 第一次泄漏原因分析

依据泄漏和裂纹的数量、部位长度推断，裂纹的性质是低周疲劳，非因焊接缺陷、机械损伤或管壁减薄等产生的管座焊接接头失效。失效的原因是集箱系统的管座角焊缝处在锅炉运行过程中的应力集中水平较高，且应力循环达到一定次数。

(1)管座角焊缝的受力特征

联箱相对管子、管排等结构较复杂。集箱管座角焊缝是集箱和受热面管子中的应力集中区。在热力状态变化时，管座角焊缝处的应力也随之变化;在机组启停、工况变动达到一定次数，管座角焊缝处易产生低周疲劳，在其管座侧熔合区产生断裂失效。

(2)集箱系统的受力状态

图1为后烟井延伸侧墙下集箱、连接管子及其相关托架形成的“杠杆”系统的布置侧面示意。

三通给集箱向下拉力，作用在集箱A端;后水冷壁悬吊管和集箱托架相连，给集箱向上支撑力，作用在C处;后烟井前墙和管子托架相连，给管子的拘束，通过管子作用到集箱C至B段。集箱C至B段的管座角焊缝上部产生拉应力。集箱托架在D处与后烟井前墙相连。集箱托架在集箱两侧各868mm处与集箱辐射出的管子相连。在这一“杠杆”系统中，集箱规格为Φ406.4×74.61，刚性较大。

图1 后拱管子托架布置

如果后水冷壁悬吊管温度相对后烟井前墙管子温度偏低，膨胀量相对较小，则集箱托架左端相对有向上位移，集箱托架给集箱向上作用力。此时，集箱B端位移较大。管子的规格相同，刚性也相同，从角焊缝至管子托架固定位置的距离相同，因此，从集箱托架向后，即从C点至集箱B端，管座角焊缝的应力水平逐渐增大，角焊缝处的疲劳程度也逐渐增大，若疲劳至出现裂纹，裂纹长度也逐渐增大。

集箱托架给予集箱的作用力基本是向上的，后烟井前墙和管子托架相连，给予管子的作用力也在垂直方向，故管座角焊缝的应力最大点出现在时钟12点的位置，裂纹的中心点也在此位置。

在任何机组的运行过程中，热力系统的热力平衡都是动态的、相对的，不平衡总是绝对的。因此，集箱托架将在一定条件下，对集箱产生向上的支撑作用，使集箱管座角焊缝处产生拉应力。这一作用积累到一定程度，角焊缝处便产生低周疲劳失效。

查阅机组SIS系统数据，2013年2号机组A修后启动期间，运行工况存在频繁大幅变化的现象。

后水悬吊管壁温与侧包出口蒸汽温度间发生多次交替变化。侧包出口蒸汽温度有时高于后水悬吊管壁温120℃左右，后水悬吊管壁温有时又高于侧包出口蒸汽温度110℃左右，如此反复波动6次。期间后水悬吊管壁温变化速率最大为23.5℃/min。运行正常后，后水悬吊管壁温424℃左右，侧包出口蒸汽温度414℃左右，两者相差10℃左右。

上述运行工况的异常变化，对集箱管座的角焊缝处的失效，起到了一定作用。

(3)管子泄漏后引起振动

管子泄漏或爆破后，管子振动或引起集箱振动。集箱振动，加速管座角焊缝处的疲劳和失效。

(4)安装因素

如锅炉安装过程中，三通焊缝强力对口，或集箱托架相对高度过高、水冷壁悬吊管悬吊力量偏大、后烟井前墙悬吊力量偏小等，也可导致“杠杆”作用增大，导致从集箱前端至后端，管座角焊缝处应力集中水平逐渐增大。

(5)综合分析

从集箱管座自身弱点和集箱系统的“杠杆”作用等整体结构方面来说，其中“杠杆”作用为本次后烟井侧墙下集箱角焊缝处失效的主要原因。而造成“杠杆”作用较大的原因，是工况波动幅度大、波动次数多。另外，管子泄漏后引起的振动加快了管座角焊缝的疲劳和失效。

4 结语

(1)锅炉原设计的结构对运行参数变动适应范围小，这一问题已很难改变。

(2)集箱管座处已经疲劳，应更换集箱，并按原设计施工。更换集箱时，设法避免三通焊接时强力对口;集箱托架安装时，应轻微接触，不宜对集箱施加较大支撑力，以避免前述“杠杆”作用。

(3)控制启、停炉速度，控制较低的机组运行参数变化率。做好集箱管座角焊缝、三通连接管道两端焊缝、后水冷壁悬吊管焊缝和后烟井前墙管子焊缝失效预防的检测。

［1］房吉国.黄岛电厂3号炉集箱管座角焊缝的断裂分析［J］.山东电力技术，2007(3):29－32.

［2］林水荣.嵩屿电厂1号炉集箱管座角焊缝泄漏原因及处理措施［J］.电力建设，1994(3):48－49.

［3］朱愉洁，刘伟.螺旋纽带在凝汽器中应用情况和问题分析［J］.电力科技与环保，2013，29(4):60－62.

Failure analysis of lower header sockets under a boiler side wall

Combined with the fillet weld stress characteristics of the header，the influence of vibration of boiler tube leakage and abnormal conditions on the stress state of header system was analysised.The results show that the main cause of the socket failure is the unit load fluctuations.It proposed to adjust the stress state of header system，control load fluctuation and strengthen the detection of the relevant position.

boiler header;socket;failure analysis;abnormal condition

TK223

B

1674－8069(2016)06－059－02

2016-07-10;

2016-08-16

谢航云(1965-)，男，山东菏泽人，高级工程师，国际焊接工程师，主要从事电站金属焊接、检验检测和金属技术监督工作。E－mail:xiehangyun666@163.com