汽包集中下降管管口裂纹的成因定稿

B&WB1025/18.44 汽包集中下降管管口裂纹的成因及补强方案

王英军1 田力男1 鲁玉龙2王海学1 田峰1

（1.

（2. 内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020） 内蒙古达拉特电厂， 内蒙古 达拉特旗 014300）

[摘要]分析了蒙达电厂4号炉汽包下降管管孔裂纹的产生原因和形成位置，给出了焊接补强

方案，为同类缺陷的预防和处理提供了参考依据。

[关键词]汽包；下降管孔；裂纹；焊接补强

[中图分类号]TG115

[文献标识码]B

蒙达电厂4号炉是北京巴·威公司生产的B&WB－1025/18.44－M型亚临界中间再热自然循环单锅筒锅炉，投产于1999年2月，至2004年10月累计运行4万小时，启停17次。汽包的A、B两侧封头下部各有一根Φ457.2×50mm的集中下降管，下降管接头材质为20MnMo，汽包材质为SA－299。在2004年10月进行的大修中发现，A、B两侧封头处的下降管口存在裂纹。

1.裂纹形态

渗透探伤发现,A侧封头下降管口的外壁有1条裂纹，位于角焊缝筒体侧熔合区,长约60mm，深约3mm； B侧封头下降管口的外壁有5条裂纹,其中角焊缝上有1条裂纹，长约50mm，深约5mm。管侧熔合区内有2条裂纹，长约50mm，深约6mm和8mm。筒体侧熔合区有2条裂纹，长约50mm和170mm，深约5mm。

图1第一次打磨后管口裂纹的形态 图2进一步打磨后管口裂纹的形态

裂纹的开口较宽，无分枝，尾部较钝，呈断续直线状，其走向近似平行于角焊缝，宏观形态具有明显的低周疲劳特征，见图1和图2。

2.裂纹原因分析

2.1裂纹性质

金属构件的裂纹按其生成的过程分为两大类：原材料或设备制造过程中形成的裂纹以及设备使用过程中形成的裂纹，后者又分为疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹。由于在检查中未发现下降管存在腐蚀情况，结合4号炉已运行4万小时的情况，可以确定裂纹为低周疲劳裂纹。

2.2交变应力的来源

一般来说，造成疲劳裂纹的交变应力来源于锅炉的启停、灭火、运行中的负荷波动以及管系振动等原因。通过检查发现，4号炉汽包下降管系的支吊架系统存在一定程度的损伤和状态劣化，表现为部分弹簧支吊架存在过度压缩，偏斜和失载等现象，这就会造成管系受力达不到设计要求而产生附加振动，从而加大了下降管口的疲劳寿命消耗。

2.3裂纹的形成位置分析

首先，由于结构和工况的原因，汽包下降管口角焊缝处存在拉伸应力、弯曲应力、剪切应力和温差应力（在低于额定负荷或高加未投时温差应力将更大），上述应力的线形叠加，就使管口区域成为整个汽包的应力集中区，因而在同一交变应力作用之下，会首先在下降管口产生裂纹。

图3 管口外壁最大应力点示意图 图4管口内壁最大应力点示意图

其次，理论计算表明，管口外壁面与汽包横截面相交的C点(见图3)以及管口内壁面与汽包纵向面相交的D点(见图4)又是上述应力集中区内的最大应力点。对下降管口的有限元计算结果也表明，在横截面内，以外转角处为中心，以管座与筒体相贯线为对称轴的狭长椭圆区为管座外壁的高应力区；在纵向面内，以内转角处为中心，以管座与筒体相贯线为对称轴的狭长椭圆区为管座内壁的高

[1]

应力区[2]。本次下降管口检查出来的外壁裂纹大多集中于下降管外壁与汽包横截面相交的区域，与上述理论计算和数值模拟所给出的结果十分吻合。

3.补强方案

对于下降管孔裂纹的处理一般有如下四种方法：打磨消缺、堆焊补强、加强管座补强和加强筋补强[3，4]。每种方案各有其优缺点：打磨消缺虽然简单节约但不解决强度问题；堆焊补强能较好的解决强度问题且补焊工作量小，但对焊接和热处理工艺要求较高；加强管座补强能彻底解决强度问题但补焊工作量大费用较高；加强筋补强能降低应力集中、补焊量小工艺简单但补强余度偏小。经综合各种因素考虑，4号炉采用堆焊补强方案，制定完善的焊接和热处理工艺并对工艺的实施进行旁站监督。堆焊补强方案概述如下：

①返修区焊前预热：用氧乙炔火焰均匀烘烤返修部位周圈300mm内区域，其中坡口边缘外100mm范围内，温度必须达到200℃（用红外测温枪测量，以下同。），其余部位达到150℃以上。烘烤时用两只以上的焊把同时加热，并将预热温度保持到去氢处理开始。

②补焊：焊接极性为直流反转，焊接电流100～140A，电弧电压22～26V。焊条使用E5518—C3低氢铁粉镍钢焊条，焊道宽度不超过焊芯直径（ø3.2）的4倍，焊缝高度应超过原有尺寸1～2mm。焊后立即进行去氢处理（氧乙炔火焰烘烤至350℃，保温2小时，之后用保温棉包裹缓冷到环境温度），然后打磨焊缝余高1～2mm使之与母材圆滑过渡。

③焊后热处理：在管座角焊缝两侧400mm范围布置内履带片加热到610±15℃，保温4小时后降温，升降温速度为300℃≤75℃/小时。当降温到300℃后，断电包裹缓冷。在整个热处理过程中都要防止汽包内空气的流通。

4.结论

①B&WB－1025/18.44锅炉汽包下降管管口裂纹为低周疲劳裂纹，产生疲劳裂纹的交变应力来源于锅炉的启停、灭火、运行负荷波动和管系支吊架的状态劣化。由于锅炉的启停和灭火往往都出于事不得已，因此通过调整支吊架系统来达到均衡受力降低振动的做法是预防同类事故的有效和现实之举。

②检查出的外壁裂纹大多集中于下降管外壁与汽包横截面相交的区域，与理论计算和数值模拟所给出的结果十分吻合，因此这一区域应作为无损检测的重点。 ③所给出的堆焊补强方案可作为同类缺陷的参考处理依据。

参考文献

[1]杨育坚，张少波. 汽包下降管口裂纹探析.锅炉压力容器安全技术[J]，2002，（1）57～60

[2]刘志刚，李益民. DJ410t炉汽包的低周疲劳寿命估算研究.压力容器安全技术[J]，2000,(6)：2～7

[3]卫志刚，周岩，李建民. 7号炉汽包下降管孔焊接补强处理.内蒙古电力技术[J]，1999，17（4）：

11～14

[4]张少军，李建民，张复等. 包头第一热电厂WGZ410T/H-4锅炉汽包下降管孔口补强方案的探讨.内

蒙古电力技术[J]，1998，（3）：26～30