再熱器減溫器裂紋原因分析及處理

陳石凌（杭州華電半山發電有限公司，浙江杭州310015）

再熱器減溫器裂紋原因分析及處理

陳石凌
（杭州華電半山發電有限公司，浙江杭州310015）

再熱器減溫器的檢修是燃機例行檢修的重要環節，結合公司6臺燃機在檢修中發現的減溫器進水管焊縫裂紋現象，通過分析再熱器減溫器焊縫產生裂紋、斷裂的原因，對其中一臺燃機的減溫器進水管、套管結構實施了改進，經過2年多時間的運行，目前運行狀況較好。

機械霧化減溫器；混合式減溫器；疲勞破壞；再熱器1、2連通管；裂紋

0 引言

華電半山發電有限公司燃機一期三臺9F390MW燃機于2005年投入商業運營，余熱鍋爐再熱器采用了F I S HE R型號為D M A/AF-3D的機械霧化減溫器，二期三臺9F415MW燃機余熱鍋爐再熱器采用了F I S HE R型號為D M A/AF-2B-H T C的機械霧化減溫器，其中#7燃機于2012年11月份投入商業運營。兩種型號的機械霧化減溫器均為同一系列混合式減溫器，在歷次檢修中均有發現減溫器進水管焊口裂紋現象，2013年9月份#7燃機停機時檢查發現再熱器減溫器噴頭部分甚至在運行時已斷裂，掉入再熱器1、2連通管內。以下對再熱器減溫器焊口產生裂紋、斷裂原因進行分析，針對減溫器裂紋缺陷提出解決方案，對實施的方案進行評估。

1 再熱器參數及減溫器缺陷情況

燃機一期三臺9F390 MW機組于2005年7月份投入商業運營，每臺機組年運行小時數約3000h。燃機二期三臺9F415MW機組首臺#7機組于2012年9月份投入商業運營，機組年運行小時數約1000h。一、二期余熱鍋爐再熱器參數見表1。

再熱器分為再熱器2（高溫段）和再熱器1（低溫段），分別布置在模塊1和模塊2中，中間設置噴水減溫器。來自中壓主蒸汽集箱的中壓蒸汽和來自汽機的冷再熱蒸汽混合后進入再熱器1進口集箱，上下兩次流經4排鰭片管，進入再熱器1出口集箱，再由連接管引至噴水減溫器，根據再熱主蒸汽集箱出口汽溫進行噴水減溫后，進入再熱器2進口集箱，再一次流經2排鰭片管進入再熱器2出口集箱，由連接管引至由再熱主蒸汽集箱引出[1]。

2010年11月#2機組A級檢修期間對再熱器減溫水系統檢查時發現減溫器噴頭焊口處有裂紋；2014年2月份#3機組C級檢修時發現減溫器噴頭處及套管焊接處2只焊口均存在裂紋（如圖2所示）；2013年9月份#7機組C級檢修時，發現減溫器自噴頭處已完全斷裂，噴頭掉落再熱器1、2連通管內。

表1 燃機一期再熱器參數

圖1 再熱器系統結構

圖2 檢修中發現的裂紋位置

圖3 減溫器噴嘴

2 混合式噴水減溫器的工作原理

由中壓給水泵來的冷卻水經過調節閥控制冷卻水水量，通過減溫器噴嘴（如圖3所示）形成霧狀液滴進入再熱器1、2連通管，與再熱蒸汽迅速混合并汽化，達到控制再熱器氣溫的目的。調節閥對接受自溫度控制系統的信號做出響應。水穿過減溫器的主管道流至噴嘴處，然后作為一條良好的噴射流排放到蒸汽管內。噴頭內的特定噴嘴適用于一系列指定的工作環境。水將通過復合角度孔流入渦流室，從而形成一個旋轉水流。又由于該水流是強行通過噴霧環的，因此其速度將獲得進一步增加。利用噴霧水壓力和螺旋彈簧所施加的預緊力之間的力量平衡從而獲得對蒸汽溫度控制效果[2]。

減溫器安裝在再熱器1、2連通管適當位置上的“三通”管內（如圖4所示）。溫度傳感器安裝在減溫器下游（減溫器到該傳感器的最小距離應為其下游30f t）。該距離依蒸汽流量和所需噴水比例的變化而變化，溫度傳感器（T E）用來測量溫度的變化，并將信號傳輸到遠處的分布式控制系統（D C S）上（如圖5所示）。然后將控制器上的輸出信號發送到噴水控制閥的定位器上。而定位器的輸出信號則需經由管道到達執行器。再由執行器對噴水控制閥的閥桿進行控制，從而為減溫器提供所需的冷卻水，以便將溫度維持在設定點。

圖4 減溫器安裝位置

圖5 再熱器減溫水系統圖

圖6 減溫水量實時變化

3 減溫器產生裂紋原因分析及危害

在機組運行過程中，由于通過再熱器減溫器外殼（聯箱）的蒸汽溫度較高，達到1005.6℉（541.5℃），表2工況1。當減溫水沒有投入時，減溫水進水管溫度與再熱蒸汽溫度相同，減溫器內部噴水管與套管之間膨脹一致，進水管與套管焊口之間未受力。如果投入減溫水后，進水管溫度較低（149.56℃），表2工況1，而聯箱內溫度較高（減溫器套管溫度接近聯箱溫度），根據熱脹冷縮原理，勢必造成進水管與外部套管之間膨脹不一，焊口因內外管子膨脹不一而受到拉力影響[3]。噴水管在工作過程中產生反作用力，噴水管焊口處不僅受到介質的縱向拉力作用，還受到橫向的彎矩作用，而減溫水水調整門開度經常變化，也就是減溫水量經常變化特別是機組啟動階段，減溫水量變化特別大，1個小時的波動在0-6.2t/h（如圖6所示），因此就導致了噴水管在水平方向上產生振動。就此可以得出結論，進水管與套管之間的焊口裂紋是由于膨脹不一及振動造成，而進水管與噴頭之間焊口裂紋是由于進水管的熱脹冷縮及振動對焊口的應力造成。

表2工況1，再熱器減溫器進水管、套管管道熱伸長量差值ΔL為1.701mm，計算如下式:

式中ΔLjsg—進水管在該工況時管道的膨脹線性長度，mm；

ΔLtg—套管在該工況時管道的膨脹線性長度，mm；

式中L1，L2—大法蘭至噴頭段進水管、套管常溫狀態時的長度，分別取0.3m、0.295m；

表2 二期9F燃機再熱器減溫器及調節閥數據匯總

α1，α2—進水管、套管在工況1時管道的熱膨脹系數，分別取13.65×10-6、14.5×10-6；

t2′，t2—進水管、套管在工況1時管道的工作溫度，分別為149.56℃和541.5℃；

t1—進水管、套管安裝時的環境溫度，20℃[4]。

減溫器進水管運行過程中，在溫差應力和機械振動的共同作用下，使焊口發生斷裂。焊口發生斷裂后，溫度較低的減溫水就會從泄漏處流到減溫器聯箱內壁上，由于減溫器外殼（聯箱）內壁溫度在不投減溫水時達到541.5℃，一旦減溫水流到內壁上，就會使減溫器聯箱內壁溫度急劇降低，使聯箱在溫差應力的長期作用下，便產生了裂紋。

圖7 減溫器消缺、改進后示意圖

4 再熱器減溫器缺陷處理情況

2013年9月份#7燃機停機時，技術人員對斷裂的噴頭及進水管與套管的裂紋進行了分析，根據進水管與套管在運行工況下不同的膨脹量，采取整根更換進水管、套管加長以加強對進水管的保護，去除套管與進水管的焊口以利于進水管與套管的自由膨脹，消除進水管與套管之間焊口應力的方案。具體處理方法如下:

（1）切割減溫器進水管及套管焊口，抽出進水管，取下進水管法蘭及與再熱器1、2連通管連接的蒸汽法蘭，對法蘭需焊接處打磨、坡口處理；

（2）在不改變通徑的前提下增加進水管、套管的壁厚以增加強度，套管長度增加（預留進水管、套管熱膨脹差值約），進水管為10Cr M o910、φ51×8合金鋼管；套管為304不銹鋼、φ60×4不銹鋼管；

（3）套管內徑接近進水管外徑，減少內外管之間的間隙以增加進水管的強度；

（4）取消套管與進水管之間的焊口，消除內外管之間應膨脹不同所造成的應力。

具體規格如圖7所示。

（5）按熱處理工藝和焊接工藝進行焊接并經金屬檢驗合格。

用砂輪修磨切割處，要求：管端平整及30°坡口鈍邊1mm，噴頭管端去盡原焊縫及外倒角并要求磨出金屬光澤，同時要求焊接區周圍20mm范圍內打磨，圓滑過渡；更換進水管、套管用氬弧焊焊妥對接焊縫，要求焊前預熱250℃～350℃，層間溫度應在預熱溫度控制范圍內；G T A W+S M A W（手工鎢極氬弧焊打底手工電弧焊填充和蓋面的焊接工藝方法）:建議采用T I G-R40L焊絲，直徑2.5mm，電流100-140A；采用E6015-B3焊條手工電弧焊填充和蓋面，電弧焊的焊條，在焊前須經350-400℃烘干1-2h，且在120℃保溫筒存放，隨用隨取；焊接完成后清理飛濺，加熱至300-350℃，保溫并緩冷的后熱措施進行消除應力熱處理，以消除或減少影響區出現的淬硬組織，增加塑性和韌性，有效地減少焊接殘余應力，同時有利于擴散氫的逸出，從而減少冷裂紋傾向；焊接后進行高溫回火處理，改善組織結構以提高熱強性、消除殘余應力，同時可以消除擴散氫含量。依照上述焊接工藝進行焊接、熱處理后，焊口經外觀檢查、超聲波檢查和著色滲透檢查以無裂紋為合格[5]。

5 改進效果

2014年11月份#7燃機A級檢修時，對再熱器減溫器所有焊口進行了檢查，未發現焊口有裂紋現象。如圖8所示。

圖8 #7機組再熱器減溫器檢查情況

6 結語

從#7機組再熱器減溫器改進方案實施2年多的情況看，目前運行狀況較好，改進的最終效果如何還有待其余機組的進一步驗證。

[1]杭州華電半山發電有限公司，9F燃機余熱鍋爐運行規程[Z].

[2]杭州華電半山發電有限公司，F I S HE R減溫器使用說明書[Z].

[3]杭州鍋爐集團有限公司，鍋爐設計說明書[Z].

[4]杭州華電半山發電有限公司，9F燃機余熱鍋爐熱力管道計算書[Z]. [5]杭州鍋爐集團有限公司，合金鋼管的焊接工藝[Z].

Reason Analysis and Treatment for Cracking in Reheater Attemperator

CHEN Shi-ling
（Hangzhou Huadian Banshan Power Generation Co.，Ltd，Hangzhou 310015，China）

T h e in sp ection o f re h eater attem p erator i s an im p ortant p art o f routine maintenance o f g a s tur b ine. T h i s article d e s cri b e d t h e w ater inlet p i p e o f d e s u p er h eater w el d crac k ph enomenon f oun d in t h e routine maintenance o f 6 g a s tur b ine，an d analy z e d t h e rea s on o f d e s u p er h eater w el d crac k in g an d f racture.O n one o f t h e g a s tur b ine d e s u p er h eater，t h e inlet p i p e an d t h e h eat e x c h an g er ca s in g s tructure w ere im p ro v e d.A f ter more t h an 2 year s o f o p eration，it’s currently runnin g in g oo d con d ition.

mec h anicalatomi z in g d e s u p er h eater；h y b ri d attem p erator；f ati g ue f ailure；1，2 communicatin g p i p e o f t h e re h eater；crac k in g

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.004

T K229

B

2095-3429（2017）03-0014-04

2017-03-24

修回日期：2017-05-15

陳石凌（1966-），男，浙江上虞人，本科，工程師，從事電站鍋爐設備的安裝、檢修、調試等技術工作。