高參數電站鍋爐主蒸汽熱電偶套管裂紋分析與防治

劉曉東

摘 要：文章著重介紹了火電廠600MW超超臨界機組鍋爐，在運行超過30000小時后，主蒸汽管道上的熱電偶套管相繼出現了裂紋、泄漏，在研究了原始的結構設計和現場的安裝情況后，給出了裂紋產生的原因和改進、防治措施，也給其他電廠的類似問題的解決提供了參考和借鑒。

關鍵詞：超超臨界；鍋爐；熱電偶套管；裂紋；防治

中圖分類號：TK223.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0051-02

1 鍋爐概況

某火力發電廠2×600MW超超臨界燃煤機組鍋爐，是哈爾濱鍋爐廠有限責任公司根據日本三菱重工業株式會社提供技術支持而設計、制造的超超臨界變壓運行直流鍋爐，采用П型布置、單爐膛、改進型低NOX分級送風燃燒系統、墻式切園燃燒方式，爐膛采用內螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環泵的啟動系統、一次中間再熱。過熱蒸汽調溫方式以煤水比為主，同時設置三級噴水減溫器；再熱蒸汽主要采用尾部豎井分隔煙道調溫擋板調溫，同時燃燒器的上下擺動對再熱蒸汽溫度也有一定的調節作用，在低溫再熱器入口管道上還設置有事故噴水減溫器。鍋爐采用平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構，設計煤種為淮南煙煤。

2 問題描述

鍋爐主蒸汽管道設計布置在鍋爐大包標高附近，從四級過熱器集箱出口的兩側接出并引向爐前，左右各一根，直徑為φ406*75，材質為SA335-P92。每一根主蒸汽管道的水平管段在其徑向斷面12點鐘的位置、沿蒸汽流動的方向分別布置有3只間隔為500mm的蒸汽溫度套管，材質為SA182-F316，與測量蒸汽溫度的熱電偶配套使用，設計壽命為25年，即與鍋爐本體等同。

但在機組運行了約30000小時之后，在固定熱電偶的螺紋連接處相繼出現了兩例蒸汽泄漏事件，初步分析，是熱電偶套管某處出現裂紋或者斷裂，使得高溫、高壓的蒸汽從裂紋處泄漏至熱電偶所插入的腔室內，并從螺紋連接的縫隙向外泄漏出來。

3 原因分析

現場取下了泄漏的熱電偶溫度套管，發現裂紋均發生在退刀槽根，詳細見原設計圖紙（見圖1）中的詳圖I中的R2.5所示部位。仔細研究了原熱電偶套管的設計圖紙、和實際的安裝情況，分析造成裂紋發生的原因如下：

3.1 退刀槽根部距熱電偶螺紋固定處壁厚余量不足

在圖紙上經同等比例測量，詳圖I中的R2.5所示部位，即退刀槽根部至熱電偶螺紋固定處的最小距離為8.33mm，且存在著加工棱角，應力較為集中，在設計強度余量較小的前提下、該處又是制造工件應力最為集中的地方，容易產生疲勞裂紋，進而隨機組運行時間增加而使裂紋延展、貫穿、泄漏。

3.2 起支撐作用的3凸臺伸出管道內部內壁而未起支撐作用

鍋爐制造廠一般會將熱電偶套管作為一個通用件來設計，產品定型后一般不再因工程的不同而修改設計。但不同工程的鍋爐設計時主蒸汽管道壁厚會隨著設計參數的需要有所改變，尤其是管壁減薄設計會造成3個沿圓周方向均勻布置、起支撐作用的凸臺脫離出主蒸汽管道的內壁，凸臺無法起到支撐套管的作用。鍋爐運行時高速流動的蒸汽橫向沖刷熱電偶套管，造成其在管道內的高頻振動，進而使套管尾部退刀槽根部位置出現裂紋、乃至貫穿、泄漏。

3.3 起支撐作用的凸臺外緣與管孔內壁存在間隙

圓周方向均勻布置的3個凸臺的外緣與主蒸汽管道開孔的公差配合是否合理也是造成裂紋能否產生的重要因素。查看圖紙和安裝的實際情況，原熱電偶套管的起支撐 作用的3個凸臺的外緣直徑設計偏小，與管道開孔內徑裝配時是間隙配合，存在著間隙，橫向沖刷的蒸汽對套管產生了橫向力，使熱電偶套管尾部退刀槽的根部區域長期處于交變應力變化的工作環境之中，進而產生疲勞裂紋、貫穿、泄漏。

4 防治措施

針對上述的分析，并與設計人員討論后，決定做如下設計修改。

4.1 增加詳圖I中退刀槽根部與熱電偶螺紋固定之間的壁厚設計

壁厚由原來的8.33mm增加至16mm，大大增加了該處設計強度余量。

4.2 改變支撐用凸臺的設計位置

為了適應各種爐型的主蒸汽管道壁厚的差異，同時兼顧舊電廠的改造施工可能性，將支撐用凸臺（B-B剖視）設計靠近溫度套管的尾部，以保證在裝配中始終在管接頭直段以內而不至于伸出主蒸汽管壁以外。

4.3 改凸臺外緣與管接頭內壁為過盈配合

支撐凸臺的外緣直徑與管接頭的內徑由間隙配合改成是過盈配合，從而消除了橫向沖刷的蒸汽對溫度套管的橫向力而產生的高頻振動，使得其尾部退刀槽處于一個更加穩定、相對較好的一個工作環境。

4.4 安裝控制

在溫度套管與管接頭現場安裝時，要注意修磨支撐用凸臺的外緣直徑與管接頭內徑是過盈配合：存在間隙勢必還會造成套管高頻振動，而直徑過大又無法正常安裝到位。

采用合格的工藝評定對焊縫進行焊接、熱處理和檢測，保證焊縫的施工質量。

5 質量控制

溫度套管是高溫高壓電站鍋爐溫度取樣或者熱電偶安裝的典型設計，除了在設計、制造加工精度、安裝工藝上要完善以外，在日常中要做到如下幾點：

（1）機組在運行過程中，盡量維持主汽壓力穩定，在升降負荷及鍋爐吹灰時要注意調整壓力變化平穩，防止發生大幅度波動。

（2）調整主、再熱汽溫時，首先對目前工況下主再熱汽溫可能的變化趨勢進行分析，調整時有預調量，使汽溫變化平穩，嚴禁發生超溫或低溫，嚴禁發生溫度大幅度擺動。

（3）每年機組大修，都要嚴格按照金屬監督之規定，抽出一定比例對焊縫、退刀槽等做無損探傷或者PT檢查，發現問題及時處理。

（4）在進行管道閥門的操作時要緩慢，防止對管道產生水沖擊或汽沖擊。

（5）在四大管道溫度、壓力測點管座開裂飛出可能傷人的地方懸掛警示牌，巡檢時注意管道振動情況，發現有異常聲音時不得擅自檢查，應通知相關人員進行處理，應做好預防措施，或離開異常區域，通知相關專業人員檢查。

（6）在機組啟停時嚴格按照升溫升壓曲線操作，應防止參數出現大幅度變化；在主蒸汽量小于10%時嚴禁使用降溫水。

6 結束語

我國已經投運的超臨界、超超臨界燃煤發電機組有120多臺，大容量、高參數的機組的大量運行已經是當今世界能源、環保等更高要求的發展趨勢。減少爐管泄漏、尤其是減少爐外管裂紋或蒸汽泄漏，是發電設備安裝、維護、管理一直追求的奮斗目標。

通過對機組設備的日常維護、金屬監督、臺賬管理，減少設備事故的發生，就要做好各個環節各個階段的監督工作，保證機組設備的安全運行。