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1、超超临界锅炉化学管座失效及改进(共3040字)摘要：为解决某超超临界锅炉化学取样管管座失效导致蒸汽泄漏的问题，采用数值模拟的方法对管座受力进行分析，结合硬度及材质检测、断面分析研究管座失效原因，并对管座结构进行改进。结果表明：管座失效原因是焊缝根部未焊透及存在应力叠加，改进后管座失效问题得到解决。关键词：超超临界锅炉；化学取样管；管座；失效分析近年来，火电机组高温高压管的化学取样管管座频繁发生失效现象，造成高温高压蒸汽泄漏，使机组存在极大的安全风险。火电机组管座失效的部位主要分布在锅炉联箱及高温管道上，失效的原因主要有用错材料、采用不合理的管座结构、膨胀管设计或安装欠妥、内壁积水形成热疲劳裂纹
2、、管座的应力腐蚀开裂、焊接工艺不当引起的开裂等，采用的措施主要有采用加强型管座、采用柔性结构、改善小管的补偿能力、加装保护套管、加强对管座的定期检验。承压部件出现裂纹泄漏的现象在火电机组上比较普遍，并且一旦发生，危险系数高。某电厂超超临界机组化学取样管与管座焊接部位多次发生断裂，严重影响机组安全生产。笔者针对该机组管座失效问题开展分析研究，并提出改进措施。问题简介某化学取样管设置于锅炉主蒸汽出口处，用于在线监测主蒸汽品质。年机组投产至今，化学取样管与管座的焊接部位多次发生断裂，造成蒸汽泄漏。经统计，同类型管座均在运行万左右时出现了管座焊缝四周存在环向裂纹的问题（见图）。管座的安装示意图见图、结
3、构图见图。化学取样管由上下两段焊接，上段与出口管焊接，下段插入主蒸汽管道（外径为、壁厚为）内，主蒸汽的额定压力为、额定温度为（文中数值均为额定工况下的数值）。主蒸汽管道在、方向上的膨胀量分别为、（锅炉说明书中的设计值）。管座随主蒸汽管道一起膨胀；化学取样管上段焊接出口管的第一个支架采用抱箍固定。失效分析宏观结构分析管座结构存在的问题有：（）条焊缝重合，易造成应力叠加；（）管座化学取样管焊缝的焊接方式不合理，采用了类似插入焊的方式，容易使焊缝根部出现未焊透的缺陷，且易存在应力集中区域。受力分析针对管座结构存在的应力叠加且集中的问题，开展受力分析。以化学取样管为研究对象，在工作状态下，化学取样管受
4、到主蒸汽管道内部蒸汽压力产生的应力、汽流冲刷所产生的冲击应力及管道膨胀所产生的约束应力。内部蒸汽压力产生的应力计算方法参考电厂动力管道设计规范，受蒸汽压力、壁厚等因素影响，为。冲击力与蒸汽流速、密度及受力面积相关，其计算公式为：式中：为化学取样管受汽流冲刷所产生的冲击力，；为蒸汽压力，；为受力面积，；为蒸汽密度，；为蒸汽流速，。计算可得化学取样管受汽流冲刷所产生的冲击力为，以此为边界条件，利用软件建模分析，得到化学取样管与管座的冲击应力分布见图（屈服应力为）。由图可得：化学取样管与管座焊接根部的冲击应力最大，高达（）。蒸汽管道内的蒸汽流速随负荷不断变化，导致根部应力不断变化，使化学取样管管座焊
5、缝处易发生疲劳失效。管道膨胀所产生的约束应力与管道固定点的移动方向、位移、管道规格及材质相关。利用软件建模分析，获得化学取样管受管道膨胀所产生的约束应力分布见图（屈服应力为），并计算出化学取样管受管道膨胀所产生的约束应力约为。硬度及材质检测采用硬度计、光谱仪对化学取样管、管座及焊缝进行硬度和材质检测，检测结果见表。由表可知：主蒸汽管和管座材质及焊丝的选择符合设计要求，但在管座化学取样管焊缝及化学取样管上段下段焊缝处采用基焊丝，会使硬度明显下降，造成焊缝接口处机械强度降低。断面分析剖开管座进行断面检查，裂纹剖面见图。由图可见：在管座化学取样管焊缝处，根部存在未焊透、热影响区存在未融合的现象。从裂
6、纹形貌分析，裂纹从根部开始，从内往外逐渐向未融合的薄弱区域发展。失效原因分析管座失效原因为：（）焊接区同时存在种焊接材料，导致焊缝根部未焊透，焊接热影响区域存在未融合等原始缺陷。（）设计不合理导致条焊缝重合，焊接过程中存在应力叠加。（）焊缝根部运行中受汽流冲刷所产生的交变冲击应力作用，原始缺陷沿着未融合的区域从内往外扩展，直至管座裂开泄漏。改进方案根据管座失效原因分析，提出了管座改进结构（见图）以替代原结构，其主要特点有：（）焊缝采用非重合设计，防止应力叠加。（）改进后的结构需要确保根部可焊透且焊缝平滑，防止焊缝应力集中。（）改进后的管座采用化学取样管的同种材质，并用同种焊丝进行焊接。（）经核
7、算，管座改进结构满足强度要求。结语（）管座失效的主要原因是条焊缝重合造成应力叠加，以及种焊接材料导致管座根部存在未焊透、未融合等原始缺陷。（）提出管座的改进结构以替代原管座，改进后的管座与化学取样管采用同种材质，并用同种进行焊丝焊接，有效解决了管座失效的问题。参考文献：姜磊，罗维祺，黄浩，等超临界锅炉四大管道管座角焊缝裂纹分析及预防特种设备安全技，（）：王智春，李炜丽，蔡文河，等超临界锅炉过热器联箱管座断裂原因分析华北电力技术，（）：陈二松电站锅炉集箱管座接头焊缝裂纹分析热加工工艺，（）：，王斌高温蒸汽管道、联箱中小口径管座的开裂及防范措施热力发电，（）：，马志宝火电厂高温高压管座结构形式分析内蒙古电力技术，（）：，张立新火电机组承压部件失效典型应力集中因素分析山东电力技术，（）：第 5 页 共 5 页