高压导汽管焊缝裂纹分析及优化

高压导汽管焊缝裂纹分析及优化

王建厂

华能铜川照金煤电有限公司 陕西省 铜川市 727100

摘要：高压导汽管在汽机缸体下方第一道安装焊缝开裂，因缸体和高压导汽管管道的尺寸及焊接要求，在此处的焊缝形成束腰型结构，该设计结构容易产生应力集中，在机组运行中高压导汽管的膨胀作用力和汽缸的膨胀作用力下，致使高压导汽管管系中最薄弱环节处焊缝产生裂纹且逐渐扩大，直至开裂。对束腰型结构进行技改，延长最小管径的长度，减少应力集中部位，防止因管系结构不合理而引起的焊缝缺陷病进一步扩大，正常设备事故发生。

关键词：焊缝；束腰型结构；应力集中；强度校核。

1 高压导汽管焊缝开裂分析

1.1设备简况

某发电厂2×600MW机组汽轮机为东方汽轮机厂引进日本日立公司的技术设计和制造，型号为NZK600-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机。发生开裂时负荷568MW，主蒸汽压力16.3MPa，4号高压导汽管压力14.7MPa，调节级压力11.1MPa。发生开裂部位为#4高压导汽管位于汽缸下方引出接管座第一道厂内安装焊缝。

1.2案例简述

某发电厂#2机#4高压导汽管位于汽缸下方引出接管座第一道厂内安装焊缝2019年2月在下融合线处开裂，开裂方位处于非固定端，开裂长度占焊缝长度的1/2，进一步扩大检查，发现#2高压导汽管同样部位和方位焊缝呈现裂纹，裂纹长度约占焊缝长度的475mm，深度约30mm;处于高压调整门侧同样结构的#3高压导汽管第一道安装焊缝呈现断续裂纹，4处长约15mm，深约3.5mm。2019年6月#1机同样束腰型结构焊缝检测，发现#4高压导汽管靠近汽缸下侧第一道厂内安装焊缝下熔合线有约3mm深的裂纹，长度约为1/3焊缝圆周；#2高压导汽管靠近汽缸下侧第一道厂内安装焊缝下熔合线有约10mm深的裂纹，长度约1/2焊缝圆周，同时检查发现#3高调门处第一道厂内安装焊缝下熔合线整周多个部位有深度为3.5mm的裂纹。高压缸导汽管材质为12Cr1MoVG,规格Φ400×55mm，采用大小头管件（12Cr1MoVA）规格变径为Φ355.5×53mm与高压缸外缸下半进汽大小头接管（12Cr2Mo1）呈倒三角形状配合焊接。此处焊缝形成“束腰”型(图1)。

图1 开裂焊缝处原结构图

1.3高压导汽管裂纹产生原因

对汽缸下接管座材质、焊缝材质和高压导汽管材质进行核对，均符合设计要求。从宏观上发现开裂焊缝为束腰型结构（焊缝位置均低于两侧母材高度），该设计结构存在应力集中，在机组运行中高压导汽管的膨胀作用力和汽缸的膨胀作用力下，致使高压导汽管管系中最薄弱环节处焊缝产生裂纹，裂纹沿12Cr1MoVG侧熔合线附近呈环向分布，开裂长度520mm约占1/2周长。肉眼可见裂纹呈环向分布，依据断裂力学，非韧性断裂中裂纹扩展与应力方向垂直，初步佐证了二次应力，多为弯曲载荷，导致焊缝开裂的可能性较大。

2 高压导汽管束腰型焊缝优化

原开裂焊缝为束腰型结构，易产生应力集中，为避免压力集中的发生，优化方案为延长直管段长度，倒角度数减少，避免焊缝束腰型结构，减少应力集中（图2）。

图2 优化后焊缝处结构图

优化后大小头长度由400mm延长1200mm，倒角由设计前30°设计为15°，在安装焊接时在缸体接管座侧圆滑过渡焊接，使焊缝应力集中部位大大释放，利于管系长周期安全运行。

3 高压导汽管束腰型焊缝优化后强度校核

3.1设计参数

设计压力：16.7MPa；

设计温度：538℃；

大小头规格：大头规格：400×55mm，小头规格：355.6×53mm，最小内径：Φ235mm。

3.2最小计算壁厚

D₀/D_i≤1.7时，承受内压的的直管最小计算壁厚应符合以下规定：

3.2.1在设计压力和设计温度下外径400mm和355.6mm所需的最小壁厚为：

（a）Sm=(PD₀)/(2[σ]^tŋ+2YP)+C=（16.7×400）/(2×73+2×0.7×16.7)=39.4(mm) （1）

（b）Sm=(PD₀)/(2[σ]^tŋ+2YP)+C=（16.7×355.6）/(2×73+2×0.7×16.7)=35.1(mm) （2）

Sm—管子的最小壁厚（mm）；

D₀—管子外径（mm）；

D_i--管子内径（mm）；

P—设计压力（MPa）；

[σ]^t—钢材在设计温度时的许用应力。12Cr1MoVG在530℃时[σ]^t=79 MPa，在540℃时[σ]^t=72MPa，在538℃时采取插入法计算[σ]

^t=72+【（79-72）/（540-530）】×(540-538)=73.4 MPa,依据标准取[σ]^t=73 MPa使用；

Y—修正系数，本次计算取0.7；

ŋ—许用应力的修正系数，对于无缝钢管取1.0；

C—腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度。对于一般的蒸汽管道和水管道，可不及腐蚀和磨损的影响，本次计算取零；

1. 计算公式—外径400mm；

2. 计算公式—外径355.6mm；

3.3管子的计算壁厚

(a)Sc=Sm+C1=39.4+4.3=43.7（mm） （3）

(b)Sc=Sm+C1=35.1+4.3=39.4（mm） （4）

Sc--管子的计算壁厚（mm）；

C1—管子壁厚的负偏差的附加值（mm）；

对于管子规格以外径×壁厚标示的钢管

1. C1=mSm/(100-m)=10×39.4/90=4.3

2. C1=mSm/(100-m)=10×35.1/90=3.9；

m—壁厚允许的负偏差，依据标准本次计算取10。

3.4管子的取用壁厚

对于主蒸汽管道采取外径控制的管子，取用壁厚宜大于等于计算壁厚加0.5倍外径证偏差值。

(a)Sq=Sc+0.5A=43.7+0.5×10=48.7(mm)＜55 （5）

(b)Sq=Sc+0.5A=39.4+0.5×10=44.4(mm)＜53 （6）

Sq—管子的取用壁厚（mm）；

A—外径正偏差值。

4 结论

经强度校核后，本优化方案可以满足生产现场需求，通过对高压导汽管焊缝开裂分析、结构优化及强度校核等问题的探讨，坚持以解决生产现场实际问题为目的，提出切实可行的解决方法，可供金属专业人员参考。

参考文献

[1]蔡文河，严苏星等 电站重要金属部件的失效及其监督 中国电力出版社2009

[2]火力发电厂汽水管道设计规范 中国计划出版社 北京 2016