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火电厂高温高压管座结构形式研究

  • 来源: 大唐华北电力试验研究院
  • 作者: 马志宝
  • 发布时间: 2018-08-13

1 背景

火力发电厂各类管座往往用以连接热工仪表或者机炉外管,安装单位和使用单位多数对其不够重视,但是这些管座基本均连接在主蒸汽、再热蒸汽系统管道和集箱上,工作温度高,压力大。近年来伴随着火电机组调峰要求,高温高压管座角焊缝频繁发生泄漏[1-3],造成机组非计划停机,严重影响机组的安全可靠运行,给现场人员的人身安全带来隐患。国内相关学者或研究机构针对管座焊缝失效的原因进行分析[4-5],经归纳总结有以下几种:1.结构因素;2.材质因素;3.焊接工艺因素;4.管座装配因素;5.振动疲劳因素等。其中,管座结构设计不合理成为管座发生失效最重要的原因之一。

文献[6][7]对P91主汽厚壁管道上热电偶插座裂纹进行分析,指出失效原因之一为焊接结构设计不合理,采用增大坡口根部角度并保证全焊透可以避免裂纹,缺点是焊缝缺陷返修实施难度很大,且每次返修对主汽管道损伤太大,并建议采用管座式结构。文献[5] [8]在提出采用增加管座结构的方法进行改造,焊接及热处理难度大大降低,但是温度套管与管座的角焊缝依然是未焊透结构,且整个管座角焊缝的设计均只能进行表面探伤,焊缝内部的埋藏缺陷无法进行有效检测,这是该结构改造后依然存在的问题。

为解决以上问题,笔者对国内某大型上市公司下属多家火电厂各类管座进行统计、分析,查阅国内外相关文献资料,并联合国内主要制造厂一起进行研究,将目前火电厂温度测点、压力测点、疏(放)水、排空、取样等各类管座归纳为三种结构形式:直埋式、管座式及螺纹式。本文将各类管座结构的优缺点进行说明,并给出优化后的结构形式,为火电厂新建机组管座设计、失效管座技术改造提供指导。

 

2. 各类管座结构形式分析

2.1 直埋式

直埋式焊接结构,就是温度套管直接插入管道内进行焊接。目前火电厂大多数温度测点均采用此种结构。依据采用的焊接结构的不同分为未开坡口、部分焊透和全焊透三种形式。典型结构见图1。

 

图 1  直埋式焊接结构

图1(a)(b)(c)均为部分焊透结构形式,焊缝填充量少,装配方便;图1(d)为全焊透结构,焊缝承载能力强,焊缝根部应力集中相对较小,整个焊接结构承受介质冲击弯曲能力强,缺点是焊缝填充多,焊接量大,装配不便,对管道热影响大;图1(c)中套管从焊缝根部开始变径,图1(a)中套管与母管相贴合的部位是等径的,穿过母管后才开始变径,减少了套管在机组启停和复杂工况时产生的振动;图1(b)焊缝根部较宽,施焊条件要优于图1(a),且应力集中程度要小些,不易产生夹渣、未熔合等缺陷;图1(e)为未开坡口结构,焊接操作简单,但是焊缝根部为未焊透结构,套管承受介质冲击的力臂较长,抗弯曲能力差,很容易产生失效。

三种结构形式的详细区别见表1。直埋式全焊透型焊缝比部分焊透和未开坡口的焊缝根部应力集中相对较小,焊缝承受冲击弯曲能力较强,如采用直埋式结构应优先选择全焊透型。直埋式结构有个缺点,焊缝内部质量均不容易进行超声波探伤检测。

表 1  直埋式结构优缺点比较

 

2.2 管座式

在各类管座中,大多数都采用的是管座式结构,特别是疏(放)水、排空管座、部分温度测点、压力测点等,相对于直埋式结构,此类结构加入了管座,管座与母管连接,管座再与热电偶套管或其它小径管连接,改接管角焊缝为对接焊缝,提高了与管道连接的可靠性。管座式一般分为安放式和插入式,典型结构形式见图2,下面简述每种结构的优缺点。

 

图 2  管座式结构

图2(a)管座高度为100mm,对接坡口母管侧有斜度,管座与母管对接焊缝内部埋藏缺陷可以用超声波进行检测,焊接质量能够得到控制;图2(b)管座高度较短,且焊缝母管侧未开坡口,这样坡口面的未熔合等缺陷无法进行超声波检测;图2(c)焊接坡口开在母管上,为部分焊透结构,焊缝根部存在应力集中,易导致从焊缝根部开裂,危险性较大,且无法检测,优点是装配简单,焊接操作方便;图2(d)管座与母管焊接坡口开在管座上,焊接完毕后,要进行二次开孔,优点是可以把焊缝根部存在的未熔合、夹渣等缺陷加工掉,缺点是如果是现场加工,难度大,且铁屑容易进入管道内,造成堵塞,如在制造厂内完成较为合适。综上所述,管座式结构大同小异,在具体设计时应采用插入式全焊透形式,管座具体尺寸及焊缝坡口角度要考虑满足超声波检测要求。

2.3 螺纹式

2.3.1 带管座螺纹连接形式

带管座螺纹连接式,即螺纹开在管座上,套管与管座螺纹连接,具体见图3(a)。此连接方式避免了焊接加热对热电偶套管组织性能的影响,特别是当套管选用1Cr18Ni9Ti不锈钢,管座选用低合金钢时,采用螺纹连接避免了异种钢焊缝。但是这种连接方式要求套管与管座之间的连接必须紧密,若是连接松动,则可能发生泄漏,也可能在蒸汽的冲击作用下剧烈振动发生断裂。预紧力很关键,过小,连接不稳定;过大,使套管承受较大的扭矩,容易在螺纹处产生开裂。此种连接方式不适用于管座工作压力大,温度高,蒸汽流量大,负荷变化大的情况,否则螺纹松动的可能性较大。

 

图 3  带管座螺纹连接形式

图3(b)为套管与管座连接的方式为螺纹加焊接的结构。这种结构的优点是螺纹部分承受压力和弯曲力,焊缝承受力较小,而且焊接可使连接稳定,避免松动,密封可靠;缺点是结构复杂,安装不便,且焊缝无法进行超声检验。

2.3.2 直埋式螺纹连接形式

直埋式螺纹连接式,即螺纹开在基体上,温度套管直接与基体采用螺纹连接方式,见图4,此种结构宜用在主汽门温度测点上。其结构特点见2.3.1的论述。

 

图4  直埋式螺纹连接形式

2.4 温度套管插入深度要求

无论采用哪种结构,为保证测温的准确性,温度计套管必须插入管道中一定的深度。DL/T5190.4-2012《电力建设施工及验收技术规范》第四部分[9]:热工仪表及控制装置中第3.2.14条,对温度计套管插入深度有具体规定如下:

插入式热电偶和热电阻套管,其插入被测介质的有效深度应符合下列要求:

(1)高温高压(主)蒸汽管道的公称通径不大于250mm时,插入深度宜为70mm;公称通径大于250mm时,插入深度宜为100mm。

(2)一般流体介质管道的外径不大于500mm时,插入深度宜为管道外径的1/2;外径大于500mm时,插入深度宜为300mm。

由此可知,对于温度计套管插入深度有规定,但此规定并非强制性指标,意味着插入深度在规定值附近根据具体的管道结构、锅炉参数、管道尺寸及运行状况是可以调整的。众所周知,温度计套管插入深度过长,会使套管受蒸汽冲刷的力臂增长,容易产生较大的力矩,易导致疲劳失效;但是插入深度不够时,测温不准确。初步计算表明,应力大小与套管的插入深度成正比例关系。

3. 直埋式与管座式比较研究

各类管座主要结构形式分三大类,即直埋式、管座式和螺纹式。螺纹式结构应用较少,主要应用于高中压主汽阀上,因角焊缝无法进行无损检测,对管座的质量可控性较差,存在安全风险,不建议在高温高压管座中采用;直埋式和管座式在各类管座中应用最广泛。本文试图从结构复杂程度、受力、修复、检验等多角度进行比对分析,具体见表2。管座式比直埋式焊缝具有更小的应力,且具有对主管母材热损伤小、易修复、可以对焊缝埋藏缺陷进行超声检测等特点,在设计、改造、维修中应首选管座式。管座材质应与母管相同,可避免异种钢焊接早期失效问题。

表 2  直埋式与带管座焊接式结构比较

 

目前,在超超临界机组中主汽管道及再热管道上的温度测点部分采用直埋式的结构。直埋式结构在焊缝根部未熔合部位产生应力集中,裂纹从焊缝根部产生进而延伸到表面产生失效,需要进行重新修复或更换,这就必须进行动火焊接。而超超临界机组的主汽及再热管道大多为P91、P92材质,温度套管焊接完毕后,必须进行焊后热处理,这样与管座相连的主汽或再热管道就又经受一次热过程,对母管产生损伤。因此P91、P92类的主汽及再热管道的硬度就存在低于标准值下限的风险。这在我们现场调研及处理一些实际问题时经常碰到的难题。如果同一位置的温度套管失效两次后,母管的硬度基本处于标准值的下限,焊接修复后低硬度的主汽及再热管道还需要进行寿命评估,运行一段时间后就得更换母管,这样电厂损失就很大。相反,如果采用带管座的焊接式结构,管座与母管焊接,温度套管与管座焊接,由于管座与母管是全焊透的结构,这样管座与母管的焊缝不容易产生失效,且焊缝内部的埋藏缺陷可用超声波进行检测,焊接质量可控。即使这样的结构发生失效,一般产生位置会在管座与温度套管焊缝上,修复或更换温度套管时,只需焊接管座与温度套管的焊缝,热处理也只在管座与温度套管上进行,这样就保护了主汽及再热母管,避免了母管的热损伤,此种结构形式在超超临界机组中优势明显。

4. 推荐的高温高压管座结构形式

综合以上分析,对温度在400℃以上或压力在5.9MPa以上的高温高压管座,推荐的形式为管座式(插入式全焊透)结构,管座外径尺寸要求[10] [11]:一般外径不小于32mm,壁厚不小于4mm,长度不低于60mm,这种结构综合优势较为明显,具体结构示意图见图5。

 

图 5  优化后的管座结构示意图

5 结论

(1)高温高压管座结构设计选用原则:要综合考虑管座材料、结构应力、焊接、疲劳、检验、修复、质量控制等因素的影响。

(2)对于高温高压承压部件,应优先选用带管座的插入式全焊透形式。管座外径、壁厚和长度应该满足超声波检验时探头的扫查面要求,一般外径不小于32mm,壁厚不小于4mm,长度不低于60mm。

(3)靠插入端紧密配合的温度套管,其与管壁接触部位的尺寸要满足与承压部件紧密配合的要求,且必须顶紧,否则不得安装。

(4)焊缝坡口形式以及坡口角度的设计要满足根部焊透及超声波检测的要求,在此前提下,尽量减少熔敷金属填充量,以降低焊接残余应力。

 

 

参考文献

[1] 王宏军, 窦怀武, 岳永久,等. #4炉主蒸汽取样一次门前仪表管管座角焊缝裂纹原因分析及处理[J]. 电焊机, 2010, 40(2):58-60.

[2] 许江晓, 宋利, 常剑冰. 主蒸汽管道热电偶套管焊缝开裂原因分析[J]. 热力发电, 2009, 38(2):78-79.

[3] 董勇军, 陆军, 高义斌. 河津发电厂蒸汽管道温度测点套管座角焊缝开裂原因分析及焊接修复研究[C]// 火电机组建设质量控制技术论坛. 2008.

[4] 牛林兴, 杨升军, 张启文,等. 超临界机组P91主蒸汽管道温度计套管焊接改造[J]. 陕西电力, 2012, 40(8):80-84.

[5] 乐群立. 厚壁管道热电偶插座焊接结构改进与工艺研究[J]. 电力建设, 2008, 29(4):86-88.

[6] 张家刚, 于进云. P91厚壁管道热电偶插座裂纹原因分析及修复[C]// 中国电机工程学会电力建设专委会2007年学术年会. 2007.

[7] 彭欣. 湘潭电厂主蒸汽管道管座焊缝裂纹原因分析及处理[J]. 金属加工(热加工), 2006(11):41-42.

[8] 陈龙. 火电机组四大管道温度计套管改造[J]. 电力安全技术, 2015, 17(4):37-40.

[9] 国家能源局. DL5190.4—2012 电力建设施工技术规范 第4部分:热工仪表及控制装置[M]. 中国电力出版社, 2012.

[10]     国家能源局. NB/T47013.3-2015 承压设备无损检测 第3部分:超声检测[M]. 新华出版社, 2015

[11]     国家能源局. DL/T1105.2-2010 电站锅炉集箱小口径接管管座角焊缝无损检测技术导则 第2部分:超声检测M]. 中国电力出版社, 2010.

 


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