循環流化床鍋爐省煤器管堵頭泄漏分析及改進

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(國家能源寧夏煤業集團 煤制油化工安裝檢修公司， 寧夏 銀川 750411)

國家能源寧夏煤業集團某廠的循環流化床鍋爐是一種新型固體燃料鍋爐，單鍋筒，型號DG-280/9.8。固體顆粒在風機的氣流輸送作用下從爐膛底部到達爐膛頂部，有一部分大顆粒在重力作用下沿著爐膛四周向下運動，較小的顆粒從爐膛的煙道離開又被分離器分離并送回爐膛循環燃燒。循環流化床鍋爐結構分為2部分，一部分由爐膛、煙氣氣-固物料分離器、固體物料再循環設備等組成，形成1個固體物料循環回路。另一部分為對流煙道，布置有過熱器、再熱器、省煤器和空氣預熱器等[1-3]。省煤器是循環流化床鍋爐的主要部件之一，主要對鍋爐給水進行預熱，并對鍋爐尾部煙氣進行余熱再回收[4-6]。循環流化床鍋爐省煤器進、出口管在長期運行中，因管內腐蝕及在管外固體顆粒磨損作用下減薄易發生泄漏[7-9]。但省煤器管束排列密集、空間位置狹小，無法對泄漏管道進行割除、更換，檢修中常采用在管口一側焊接堵頭的方法進行消漏處理[10-11]。2017年末至2018年初，因省煤器堵頭泄漏導致該鍋爐停爐3次，且泄漏均發生在同一位置，嚴重影響鍋爐的安全穩定運行。

筆者針對省煤器管堵頭處出現的反復泄漏，分析了問題產生的原因，提出并采取了一系列改進措施，使堵頭的焊接質量得到提高，減少了泄漏的發生。

1 省煤器管泄漏封堵

該循環流化床鍋爐省煤器裝設在尾部豎井中，采用單級、水和煙氣逆流的布置方式，煙氣溫度約215 ℃。省煤器置于包墻管煙道內，垂直于前后包墻，為懸吊結構。省煤器集箱進、出口管的規格為?32 mm×4 mm，材質20G。該進、出口管在運行中經常發生泄漏，加之設計時泄漏處未預留足夠的換管操作空間[12]，因此，常采用加裝堵頭的方法對管口進行封堵。首先將舊管損壞部位割除一段，打磨管口之后將提前預制好的錐形堵頭塞入打磨好的管口內部，小頭放入管內，大頭比管內徑大2 mm，留在管外。此時管子的開口處內徑圓與堵頭的中部形成線接觸，用焊條電弧焊將接觸部位焊接牢固，便完成一次封堵(圖1)。但采用此方法焊接的堵頭運行時間短，易再次發生泄漏。

圖1 省煤器管堵頭實物

2 省煤器管泄漏原因分析

2.1 堵頭結構設計不合理

從圖1可以看出，堵頭與管口焊接的部位無法加工坡口，堵頭與管口端部為線接觸，在接觸部位易形成應力集中。焊接時只能采用角焊縫，其熔合比較低，焊縫質量不高，在13 MPa高壓持久作用下，容易開裂泄漏[13]。

省煤器管焊接結構及受力情況見圖2。

圖2 改進前省煤器管焊接結構及受力情況

堵頭所受的力F′由2部分組成，即A1A2所在圓端面上受到的力Fd和堵頭伸入管道內部部分錐面上受到的力Fc，兩者合力方向水平向左，F′與焊縫對堵頭的作用力F相等，即：

F=F′=Fd+Fc

(1)

其中

Fd=pπr2

(2)

式(1)～式(2)中，p為省煤器管內壓力，MPa；r為堵頭小端面圓的半徑，m。

將p=13 MPa、r=0.011 m帶入式(2)，可得Fd=5 378.3 N。

將堵頭沿直徑在豎直方向剖開，因結構對稱，則剖面上部所受力F1與剖面下部所受力F2在垂直方向上的分量分別為F1sinβ與F2sinβ，二者大小相等，方向相反，相互抵消，故其合力水平向右，整個錐面相當于只受到水平向右的力。對此力的計算，可在錐面上取環形積分微元，求整個錐面在豎直方向上的面積，再乘以錐面所受的壓力得到，具體計算公式如下：

(3)

將p=13 MPa、堵頭小端面圓半徑r=11 mm、管內徑r1=12 mm代入式(3)可得Fc=1 022.4 N，故周向焊縫所受的力F=Fd+Fc=6 400.7 N。

由應力公式可以得到所需要的最小焊縫截面積Amin為：

Amin=NF/σb

(4)

將焊縫金屬抗拉強度σb=420 MPa、安全系數N=5[14]帶入式(4)可得Amin=7.62×10-5m2。

角焊縫中焊縫的截面面積為[15]：

A≈2πra

(5)

式中，a為焊縫的厚度，mm。角焊縫的橫截面近似為等腰直角三角形，斜邊的高則為角焊縫的厚度。因角焊縫尺寸相比管徑較小，故角焊縫所在圓周半徑近似為管內徑，即12 mm。將所需最小焊縫截面積代入式(5)計算可以得到最小焊縫厚度amin=1.01 mm。

由此可知，只要焊縫厚度大于1.01 mm，就能夠滿足強度要求。在正常焊接情況下，此條件很容易實現，但省煤器空間狹小，且由于閥門內漏，焊接時管內有大量蒸汽流出，管束固定且排列密集，作業人員無法看清所焊接管口的背面，施焊困難，焊接質量無法保證，可能存在焊縫厚度不足1.01 mm的情況，會使焊縫金屬強度不足而發生開裂泄漏。

2.2 焊接工藝參數影響

省煤器集箱入口管材質20G，規格?32 mm×4 mm，采用焊條電弧焊進行焊接，焊條型號J422，焊條直徑3.2 mm，焊前不需預熱，焊接電流110～120 A，電弧電壓24 V，焊接速度12 cm/min。此焊接工藝參數參考了焊接規范，焊接電流也在規范允許的范圍之內，但焊接電流相對較高，屬于大規范焊接，焊接熱輸入大，焊接接頭熱影響區晶粒粗大，致使焊縫的力學性能較低[16]。

2.3 施工因素

在施工過程中，堵頭軸線和管口中心線很難保持平行，易導致堵頭加裝偏斜，造成水域部分的堵頭結構不對稱，堵頭上下或者左右錐面受力無法相互抵消，使堵頭形成了一個以焊縫部位為作用點的力矩，增加了焊縫中的應力。在堵頭與管壁接觸處，管內的水直接與焊縫接觸，使焊縫不斷受到管內液體的沖蝕，容易造成焊縫部位結構在短期內失效，發生泄漏。

3 省煤器管泄漏處理措施

3.1 調整加裝位置

經過多次試驗，發現將堵頭由管口外部加裝焊接改為內部加裝后，堵頭焊接質量較高，堵漏效果較好。改進后省煤器管焊接結構及受力情況見圖3。堵頭放在管內，解決了堵頭背面焊接存在盲區的問題，確保作業人員對焊縫部位視線無死角，能夠較好地把握焊接金屬的填充量。此外，在堵頭上焊接1根

圖3 改進后省煤器管焊接結構及受力情況

?3.2 mm的J422焊條，用于將堵頭裝入管內時調節堵頭位置和角度，解決了堵頭容易發生偏斜的問題。

3.2 優化堵頭結構

將堵頭由不開坡口改為開單面V型坡口的形式(圖3)，坡口深度3 mm。開坡口后再焊接，焊縫余高可以控制在1～2 mm，能夠保證焊接時焊縫的厚度大于3 mm，有效增大堵頭焊縫的強度。由文中公式計算可以得知，開坡口焊接后的焊縫可以承受29 094.6 N的力，大于焊縫受力6 400.7 N，能夠滿足焊接強度要求。

3.3 優化焊接工藝

將焊條電弧焊的焊接電流由原110～120 A降低到90～110 A，其他焊接參數保持不變，以減小焊縫的熱量輸入，使焊縫成型良好，從而提高焊縫的力學性能。

4 結語

采用文中措施對循環流化床鍋爐省煤器管堵頭進行改造后投用至今近1 a，省煤器未發生過泄漏。實際應用結果表明，采用此方法有效解決了焊接堵頭使用周期短、反復泄漏的問題，可保證鍋爐安全、平穩運行，對其它密集管道加堵頭的檢修作業具有借鑒意義。