司順勇

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

火電廠四管泄漏是最為常見(jiàn)的鍋爐故障，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患，導(dǎo)致四管泄漏的原因很多，有運(yùn)行原因、結(jié)構(gòu)原因、材質(zhì)原因和安裝原因等，發(fā)生泄漏的部位很大一部分位于焊口附近，主要是因?yàn)楹附訁^(qū)域的缺陷概率較大，且焊接過(guò)程容易對(duì)材料的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[1]。其中安裝質(zhì)量關(guān)系到結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，對(duì)后期的安全運(yùn)行至關(guān)重要，集箱結(jié)構(gòu)是火電廠鍋爐系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，主要起到匯集和分配汽水介質(zhì)的作用，一般將管屏中的汽水介質(zhì)進(jìn)行匯集或重新分配，從而保證汽水介質(zhì)均勻分配、均勻加熱，避免局部過(guò)熱。由于集箱的固有結(jié)構(gòu)決定了其焊口密集、焊接難度大、不連續(xù)變化區(qū)域多，因而也是結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域[2]，且無(wú)法運(yùn)用理論公式分析其局部受力狀態(tài)。本文將對(duì)基建階段的過(guò)熱器管屏強(qiáng)拉對(duì)口情況進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，重點(diǎn)研究對(duì)接管座焊縫的影響[3]，以定量的準(zhǔn)確評(píng)判強(qiáng)拉對(duì)口的危害。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況介紹

某新建超臨界660 MW變壓運(yùn)行直流鍋爐，采用前后墻對(duì)沖燃燒，單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐內(nèi)蒸汽從高過(guò)入口集箱經(jīng)蛇形管加熱后進(jìn)入高過(guò)出口集箱，品質(zhì)合格的蒸汽由連接管從出口集箱兩端引出至主蒸汽管道，高過(guò)蛇形管位于折焰角上部，沿爐寬方向布置有34片，每片管屏由20根管并排繞制而成。高溫過(guò)熱器管道規(guī)格和材質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 高溫過(guò)熱器管道規(guī)格和材質(zhì)表

在基建安裝階段，管屏首先在地面組合，相鄰管屏之間的拼接以圖紙上的安裝基準(zhǔn)線對(duì)齊為原則，在高空組合時(shí)相鄰管屏或管組之間的對(duì)齊也是按安裝基準(zhǔn)線對(duì)齊為原則。管屏組裝焊接完成后，最后將管屏與對(duì)應(yīng)的集箱接管座進(jìn)行焊接固定，并將管屏吊掛與集箱下方的吊點(diǎn)連接承力，防止管屏自重載荷轉(zhuǎn)移至集箱接管座焊縫上，整個(gè)組裝過(guò)程中嚴(yán)禁強(qiáng)拉對(duì)口?，F(xiàn)場(chǎng)安裝完成后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于該結(jié)構(gòu)是等距排列的陣列結(jié)構(gòu)，采用三維建模軟件等比例建立單個(gè)單元的三維模型如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后的結(jié)構(gòu)形態(tài)

圖2 單個(gè)單元的三維模型

但在實(shí)際基建階段，發(fā)現(xiàn)在最后一道焊口（即管屏組件與集箱接管座接口）焊接時(shí)，存在強(qiáng)拉對(duì)口現(xiàn)場(chǎng)，最大錯(cuò)口量達(dá)到30 mm左右，給后續(xù)運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患。

2 結(jié)構(gòu)受力仿真分析

高溫過(guò)熱器集箱運(yùn)行過(guò)程中溫度較高，熱膨脹效應(yīng)明顯、熱應(yīng)力作用顯著[4]，因而在實(shí)際分析過(guò)程中應(yīng)考慮溫度場(chǎng)的影響，考慮溫度場(chǎng)影響后的理論本構(gòu)方程如下式[5]：

式中：σxx、σxy、σzz為主應(yīng)力分量；εxx、εyy、εzz為主應(yīng)變分量；τxy、τyz、τzx為剪應(yīng)力分量；γxy、γyz、γzx為剪應(yīng)變分量；E為材料彈性模量；μ為泊松比；G為材料剪切模量；αT為材料的熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫差。

為詳細(xì)判斷強(qiáng)力對(duì)口的危害，明確最大危害區(qū)域，在此建立單個(gè)管屏區(qū)域的三維模型，如圖2所示，管屏模型截止于吊掛吊點(diǎn)處（因該位置與集箱相對(duì)固定）。考慮到該結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選取該模型的一半進(jìn)行有限元仿真分析，首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，管屏結(jié)構(gòu)采用六面體單元、集箱及焊縫區(qū)域采用四面體單元，接管座區(qū)域網(wǎng)格加密，單元大小為2 mm。重點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格劃分

以機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)為計(jì)算熱態(tài)，按照設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定該區(qū)域計(jì)算溫度571℃、計(jì)算壓力25.1 MPa，采用線彈性本構(gòu)模型，P91/T91材料的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2[6]。

表2 材料計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)拉對(duì)口量（30 mm）為端部位移邊界條件，同時(shí)考慮運(yùn)行狀態(tài)下的蒸汽內(nèi)壓（25.1 MPa），考慮到集箱的剛度相對(duì)于管屏要大很多，在此將集箱中性面固支。計(jì)算得到運(yùn)行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力如圖4所示，結(jié)果顯示接管座與集箱焊口的上表面存在應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力位于上數(shù)第二根管道，第一根至第三根管道相同位置的最大應(yīng)力分別為：130.7 MPa、205.2 MPa、133.7 MPa，由此可知在強(qiáng)拉對(duì)口時(shí)，會(huì)對(duì)接管座與集箱焊口造成最為惡劣的影響，最大應(yīng)力位于第二根管道，主要是由于第一根管道的壁厚更大、和其他管道的規(guī)格都不一樣。

接管座表面的集中應(yīng)力為二次應(yīng)力，屬于為滿足整體變形協(xié)調(diào)條件，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)或相鄰原件連接部位及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生的附加應(yīng)力，參見(jiàn)GB/T 16507.4—2013《水管鍋爐 第4部分：受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》規(guī)定，二次應(yīng)力區(qū)的最大當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)小于3倍材料許用應(yīng)力，這主要是依據(jù)結(jié)構(gòu)的安定性條件，即當(dāng)結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)力變化范圍不超過(guò)2倍的材料屈服強(qiáng)度時(shí)結(jié)構(gòu)安定，不會(huì)產(chǎn)生低周疲勞破壞，能夠滿足安全運(yùn)行的要求[7]?？紤]到材料許用應(yīng)力一般取屈服極限除以1.5，因而二次應(yīng)力區(qū)的最大當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)小于3倍材料許用應(yīng)力A335 P91在工作溫度571℃下的許用應(yīng)力為91.7 MPa，接管座焊縫最大應(yīng)力205 MPa，小于3倍許用應(yīng)力275.1 MPa，但總體來(lái)看應(yīng)力仍然較高，剩余的安全余量不大，將對(duì)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)過(guò)熱器管屏強(qiáng)拉對(duì)口焊接會(huì)造成集箱表面與接管座的焊口應(yīng)力增大，并不是直接強(qiáng)拉的焊口，使得現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)不一定能發(fā)現(xiàn)，而且在上述錯(cuò)口量的情況下，并不會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)焊口直接拉裂，而是對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行帶來(lái)不利影響，就更加給現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)帶來(lái)困難。

因而在基建階段，應(yīng)該加強(qiáng)質(zhì)量管控，嚴(yán)格限制強(qiáng)拉對(duì)口行為，確保安裝階段不會(huì)增加結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力。