烟气轮机进气锥隔板焊缝开裂原因分析及解决措施

2018-09-22，，

石油化工设备 2018年5期

，，

(1.渤海装备兰州石油化工机械厂，甘肃兰州 730060；2.甘肃省炼化特种装备工程技术研究中心，甘肃兰州 730060)

烟气轮机为催化裂化装置中能量回收系统-主风机组的核心设备之一，其主要用途是对催化裂化装置再生反应器反应生成的介质气-高温烟气进行能量回收，输出机械能驱动主风机组其他设备正常运行。国产YL型烟气轮机功率涵盖了2 000～33 000 kW共计7大类产品型号，能够满足国内市场绝大部分炼油厂催化裂化装置实际生产需要。文中针对多年来各炼油厂烟气轮机在使用1个周期后，返厂检修过程中发现的部分烟机进气锥隔板与锥体组焊焊缝出现开裂情况进行了深入探讨。通过对焊缝材质、结构等技术细节的深入分析，从烟气轮机结构设计方面，提出了优化设计方案。这种优化设计方案已成功应用于生产实践，并取得了良好的使用效果，解决了原进气锥隔板与锥体焊缝开裂的问题[1-3]。

1 烟气轮机进气锥隔板焊缝开裂情况

1.1 烟气轮机进气锥主要结构

烟气轮机进气锥(图1)主要由法兰Ⅰ、法兰Ⅱ、筒体、锥体、静叶及隔板等零件组成。进气锥组件主要由不锈钢板和部分铸钢件组焊后加工制造。进气锥内部介质气流道截面渐缩型结构设计可以让工作介质高温烟气在流道内分布更加均匀，还可以进一步提升高温烟气流动的加速度，使进入烟气轮机静叶部位的高温烟气获得最佳做功状态[4]。

图1 烟气轮机进气锥结构示意图

1.2 烟气轮机使用和检修情况

烟气轮机进气锥在运行1个周期(约2～3 a)之后,一般需要进行常规检修和维护，以保证设备能够继续安全平稳运行。进气锥拆卸后需要返厂检修，进行常规的外观焊缝检查、关键安装部位尺寸检查修复等工作。经检查发现部分烟气轮机进气锥隔板与锥体之间的焊缝存在局部甚至全部开裂现象，见图2。

一般此处开裂焊缝外观宽度约2～3 mm，沿焊缝环向局部或者全部开裂。焊缝开裂位于烟气轮机转子组轮盘前侧空腔，距离高速旋转的轮盘前端面很近(10～15 mm)，如果烟气轮机轮盘冷却蒸汽大量从焊缝开裂部位发生跑损，将导致轮盘冷却系统功能失效，动叶片根部榫齿部位及拉杆螺栓组件不能得到有效冷却，致使这些零部件长期在高温下工作，容易发生材料疲劳失效。此处焊缝开裂成为烟气轮机安全平稳长周期运行的隐患。

图2 进气锥隔板焊缝开裂

2 烟气轮机进气锥隔板焊缝开裂分析

2.1 流道内温度场及其影响

进气锥高温烟气流道和隔板处于2个不同的工作温度下。进气锥连接着装置高温烟气输送管线，高温烟气在此通过静叶加速后直接驱动动叶片输出机械能，高温烟气工作温度超过650 ℃。隔板位于轮盘前侧冷却蒸汽出口部位，工作温度仅约250 ℃。烟气轮机正常运行时，这2个部位存在的巨大温差使隔板附近形成一个复杂的变化温度场，温度场内的温度由中心向外围呈逐渐增高趋势。这种工况下零部件发生热膨胀变形情况较为复杂，以1台轮盘直径900 mm系列的烟气轮机型号为例，假设在此部位取A、B两点(图3)，A点位于高温烟气流道部位，其工作温度650 ℃；B点位于隔板与锥体焊缝部位，其工作温度250 ℃。

图3 烟气轮机进气锥流道内A、B点位置

参考奥氏体不锈钢线膨胀系数，热膨胀量ΔH计算如下[5-6]。

ΔH=LtK

式中，ΔH为热膨胀量，L为所取点位置距离进气锥轴心距离，mm;t为所取点处工作温度，℃。K为不锈钢材质线膨胀系数，10-6/℃。将tA=650 ℃，tB=250 ℃，LA=450 mm，LB=240 mm，K650 ℃=18.86×10-6/℃，K250 ℃=17.41×10-6/℃代入上式，求得ΔHA=5.5 mm、ΔHB=1.0 mm。计算结果表明，烟气轮机在正常工况下运行时，A、B两处的热膨胀量差别较大，据此推断此处锥体和隔板受温度场影响均会产生大小不一的热膨胀量，造成锥体和隔板材料内部形成复杂的热应力。B点处的焊缝受到由热应力引发的拉应力作用，如果烟气轮机运行过程中工作温度发生改变，零部件材料内部热应力也将发生改变，从而产生交变应力，在这种交变工况下产生的拉应力也将发生变化。长期处于这种复杂工况下，焊缝将会逐渐发生明显的塑形变形进而在强度相对薄弱的锥体侧熔合线处发生塑性断裂，裂纹断口不平齐，外观呈现锯齿形断裂形状[7-8]。

2.2 焊缝应力腐蚀及其发展

热应力使进气锥隔板处焊缝长期受拉应力作用，加之轮盘冷却蒸汽中带有少量氯离子等腐蚀介质，两者的共同作用为焊缝发生应力腐蚀提供了条件。长期处于这种工况下，焊缝表面容易形成微小的裂纹源或者小腐蚀凹坑。这些细小的裂纹源和小腐蚀凹坑在持续存在的或者由于工况变化而改变的交变应力作用下继续沿着垂直于拉应力的方向产生塑性变形，最终发生塑性断裂，断口部位宏观上显现出锯齿形态[9-10]。

2.3 进气锥隔板结构

隔板是烟气轮机进气锥的主要组件，原隔板(图4)采用薄钢板加工成一定锥形结构再与锥体组焊，当隔板受热沿径向发生热膨胀，需要通过自身形状发生变形吸收热膨胀量，减少由此带来的材料内部热应力。原隔板设计锥形结构正是基于通过隔板沿径向发生热膨胀时，隔板自身可以在一定范围内自由变形，从而吸收热膨胀量，降低材料内部热应力，来确保隔板和轮盘冷却蒸汽机构正常运行。如果加工制造时隔板锥形结构不能得到有效保证，那么其设计功效就不能充分发挥，材料内部热应力不能及时有效释放，最终导致焊缝长期受力发生开裂。

图4 进气锥原隔板结构

另外烟气轮机长期使用的情况下，隔板自身存在缓慢塑性变形，其吸收热膨胀的能力会减弱，也会因焊缝受力导致慢慢发生开裂。原隔板结构已经不能够完全满足吸收热应力的作用，无法保证烟气轮机安全、平稳、长周期运行的要求。

2.4 母材材质焊接性能

烟气轮机进气锥隔板材质为0Cr18Ni9热轧钢板，锥体材质为铸造ZG1Cr18Ni9不锈钢，这两种母材材质虽然相近但制造工艺不同。此处焊缝所选用的焊材是常规不锈钢焊材。相对而言ZG1Cr18Ni9这种铸造材质的不锈钢焊接性能较前者差，其焊接过程中熔池内钢水流动性不如前者良好，母材、焊材之间熔合性相对较弱。ZG1Cr18Ni9含碳量也较前者高，材料塑性相对较差、韧性较低。隔板与锥体焊缝靠近锥体这一侧焊缝熔合线处吸收热应力的能力相对薄弱，外力作用下焊缝会也会先沿着这一侧熔合线发生开裂[11-13]。

3 烟气轮机进气锥隔板开裂解决措施

3.1 隔板结构改进

将原焊接结构改为无焊缝装配式结构，隔板外圆均布膨胀槽，加工组装用螺栓孔(与进气锥组装时直接用螺栓进行紧固)，改造后的新型防开裂隔板见图5。新型隔板设计有膨胀槽，用于吸收隔板受热产生的变形，使隔板内部热应力得到有效释放。同时，取消焊缝结构将不存在焊缝开裂后跑损冷却蒸汽，从而降低轮盘冷却效果的不利因素，有效保障了烟气轮机安全、平稳、长周期运行[13]。

图5 改造后新型防开裂隔板结构

3.2 支持锥结构改进

改进烟气轮机进气锥轮盘冷却蒸汽接管与筒体焊接的支持锥结构，将支持锥垂直剖分截面结构由原三角形结构变更为梯形结构，采用薄板设计加工，见图6。该结构在受到冷却蒸汽管线附加力时，薄板设计加工的支持锥的刚性比原结构小很多，可随管道附加力的变化发生一定量的变形，用于吸收部分管道附加力。此外，由于支持锥截面由原三角形结构改变为梯形结构，因而更加有利于吸收外力带来的影响。这种结构的支持锥配合改进后新型防开裂隔板可有效保障轮盘冷却蒸汽接管使用寿命，从而保障烟气轮机转子组的安全、平稳运行[14]。