基建阶段过热器管屏强拉对接口的危害性分析

司顺勇

（华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

火电厂四管泄漏是最为常见的锅炉故障，给机组的安全稳定运行带来极大的隐患，导致四管泄漏的原因很多，有运行原因、结构原因、材质原因和安装原因等，发生泄漏的部位很大一部分位于焊口附近，主要是因为焊接区域的缺陷概率较大，且焊接过程容易对材料的组织结构产生影响[1]。其中安装质量关系到结构的实际受力状态，对后期的安全运行至关重要，集箱结构是火电厂锅炉系统的一个重要组成部分，主要起到汇集和分配汽水介质的作用，一般将管屏中的汽水介质进行汇集或重新分配，从而保证汽水介质均匀分配、均匀加热，避免局部过热。由于集箱的固有结构决定了其焊口密集、焊接难度大、不连续变化区域多，因而也是结构应力复杂区域[2]，且无法运用理论公式分析其局部受力状态。本文将对基建阶段的过热器管屏强拉对口情况进行详细的受力分析，重点研究对接管座焊缝的影响[3]，以定量的准确评判强拉对口的危害。

1 现场情况介绍

某新建超临界660 MW变压运行直流锅炉，采用前后墙对冲燃烧，单炉膛、一次再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构。锅炉内蒸汽从高过入口集箱经蛇形管加热后进入高过出口集箱，品质合格的蒸汽由连接管从出口集箱两端引出至主蒸汽管道，高过蛇形管位于折焰角上部，沿炉宽方向布置有34片，每片管屏由20根管并排绕制而成。高温过热器管道规格和材质情况见表1。

表1 高温过热器管道规格和材质表

在基建安装阶段，管屏首先在地面组合，相邻管屏之间的拼接以图纸上的安装基准线对齐为原则，在高空组合时相邻管屏或管组之间的对齐也是按安装基准线对齐为原则。管屏组装焊接完成后，最后将管屏与对应的集箱接管座进行焊接固定，并将管屏吊挂与集箱下方的吊点连接承力，防止管屏自重载荷转移至集箱接管座焊缝上，整个组装过程中严禁强拉对口。现场安装完成后的结构如图1所示，由于该结构是等距排列的阵列结构，采用三维建模软件等比例建立单个单元的三维模型如图2所示。

图1 现场安装完成后的结构形态

图2 单个单元的三维模型

但在实际基建阶段，发现在最后一道焊口（即管屏组件与集箱接管座接口）焊接时，存在强拉对口现场，最大错口量达到30 mm左右，给后续运行带来极大的安全隐患。

2 结构受力仿真分析

高温过热器集箱运行过程中温度较高，热膨胀效应明显、热应力作用显著[4]，因而在实际分析过程中应考虑温度场的影响，考虑温度场影响后的理论本构方程如下式[5]：

式中：σxx、σxy、σzz为主应力分量；εxx、εyy、εzz为主应变分量；τxy、τyz、τzx为剪应力分量；γxy、γyz、γzx为剪应变分量；E为材料弹性模量；μ为泊松比；G为材料剪切模量；αT为材料的热膨胀系数；ΔT为温差。

为详细判断强力对口的危害，明确最大危害区域，在此建立单个管屏区域的三维模型，如图2所示，管屏模型截止于吊挂吊点处（因该位置与集箱相对固定）。考虑到该结构的对称性，选取该模型的一半进行有限元仿真分析，首先进行网格划分，管屏结构采用六面体单元、集箱及焊缝区域采用四面体单元，接管座区域网格加密，单元大小为2 mm。重点区域的网格结构如图3所示。

图3 有限元网格划分

以机组运行状态为计算热态，按照设计运行参数设定该区域计算温度571℃、计算压力25.1 MPa，采用线弹性本构模型，P91/T91材料的计算参数见表2[6]。

表2 材料计算参数

根据现场强拉对口量（30 mm）为端部位移边界条件，同时考虑运行状态下的蒸汽内压（25.1 MPa），考虑到集箱的刚度相对于管屏要大很多，在此将集箱中性面固支。计算得到运行状态下的结构Mises应力如图4所示，结果显示接管座与集箱焊口的上表面存在应力集中区，最大应力位于上数第二根管道，第一根至第三根管道相同位置的最大应力分别为：130.7 MPa、205.2 MPa、133.7 MPa，由此可知在强拉对口时，会对接管座与集箱焊口造成最为恶劣的影响，最大应力位于第二根管道，主要是由于第一根管道的壁厚更大、和其他管道的规格都不一样。

接管座表面的集中应力为二次应力，属于为满足整体变形协调条件，在结构不连续或相邻原件连接部位及其邻近区域产生的附加应力，参见GB/T 16507.4—2013《水管锅炉 第4部分：受压元件强度计算》规定，二次应力区的最大当量应力应小于3倍材料许用应力，这主要是依据结构的安定性条件，即当结构的弹性应力变化范围不超过2倍的材料屈服强度时结构安定，不会产生低周疲劳破坏，能够满足安全运行的要求[7]。考虑到材料许用应力一般取屈服极限除以1.5，因而二次应力区的最大当量应力应小于3倍材料许用应力A335 P91在工作温度571℃下的许用应力为91.7 MPa，接管座焊缝最大应力205 MPa，小于3倍许用应力275.1 MPa，但总体来看应力仍然较高，剩余的安全余量不大，将对结构的安全稳定运行带来隐患。

3 结束语

现场过热器管屏强拉对口焊接会造成集箱表面与接管座的焊口应力增大，并不是直接强拉的焊口，使得现场检验时不一定能发现，而且在上述错口量的情况下，并不会导致现场焊口直接拉裂，而是对长期运行带来不利影响，就更加给现场检验带来困难。

因而在基建阶段，应该加强质量管控，严格限制强拉对口行为，确保安装阶段不会增加结构内应力。