火力發(fā)電廠鍋爐再熱汽堵閥裂紋治理方法的研究與應(yīng)用

引言

定州電廠4號(hào)鍋爐的堵閥閥體均為合金鑄鋼件,合金鑄鋼件澆注時(shí)采用"順序凝固",從而導(dǎo)致鑄件的溫差大、熱應(yīng)力大、變形大。冷凝時(shí)各部金屬因冷卻速度不同而收縮不一致,再加上鑄型和型芯的阻礙作用,鑄件的固態(tài)收縮會(huì)受到制約而產(chǎn)生鑄造應(yīng)力。為消除應(yīng)力,合金鑄鋼件一般進(jìn)行調(diào)質(zhì)等最終熱處理,但由于鑄造閥門壁厚結(jié)構(gòu)復(fù)雜,熱處理過程控制稍有偏差,便會(huì)導(dǎo)致較大殘余應(yīng)力存在。對(duì)存在裂紋的閥體進(jìn)行光譜復(fù)驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求,s、P雜質(zhì)元素不超標(biāo);從宏觀檢查分析,閥體裂紋全部處于表面及近表面,較深的裂紋出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)變化大的應(yīng)力集中部位,當(dāng)鑄件中存在內(nèi)應(yīng)力時(shí)會(huì)處于不穩(wěn)定狀態(tài),雖經(jīng)最終熱處理釋放應(yīng)力,但由于閥門結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚厚、尺寸大,或多或少會(huì)存在殘余應(yīng)力。使用過程中,鑄件內(nèi)的殘留應(yīng)力將重新分布,當(dāng)與其他應(yīng)力相互疊加時(shí),再加上汽水閥門系統(tǒng)受力復(fù)雜,結(jié)構(gòu)本身尺寸、形狀存在差異,應(yīng)力集中作用將更加明顯,在工作應(yīng)力和啟停過程中溫差應(yīng)力等的共同作用下,鑄件產(chǎn)生裂紋的傾向就會(huì)增大,當(dāng)綜合應(yīng)力值超過合金的抗拉強(qiáng)度時(shí)將產(chǎn)生裂紋。

2010一2014年計(jì)劃檢修期間,對(duì)4號(hào)鍋爐再熱汽熱段左右側(cè)堵閥閥體進(jìn)行磁粉檢查,發(fā)現(xiàn)堵閥閥體存在較多裂紋或砂眼,將存在的閥體裂紋進(jìn)行打磨,直至裂紋、砂眼消除,進(jìn)行無損探傷復(fù)檢,合格后按照焊接工藝要求進(jìn)行補(bǔ)焊,補(bǔ)焊完成后再次復(fù)檢合格,但長期運(yùn)行過程中仍然存在閥體裂紋隱患。

因此,為了防止鍋爐因再熱汽熱段堵閥閥體在工作應(yīng)力和啟停過程中溫差應(yīng)力等的共同作用下產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī);為了防止再熱汽熱段堵閥薄弱處爆裂,內(nèi)部高參數(shù)介質(zhì)泄漏導(dǎo)致人身及設(shè)備損壞,給公司造成安全、經(jīng)濟(jì)損失,定州電廠對(duì)4號(hào)鍋爐再熱汽堵閥進(jìn)行了升級(jí)更換,用鍛造堵閥替換了原設(shè)計(jì)的鑄造堵閥。更換后鍋爐的安全性能與使用壽命得到了改善,保證了機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,為解決鑄造堵閥的同類安全隱患問題提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1改造方案研究

為了有效避免堵閥鑄造缺陷及裂紋的形成,提升堵閥安全運(yùn)行可靠性,目前可行的技術(shù)方案主要有取消再熱汽熱段鑄造堵閥及將再熱汽熱段鑄造堵閥升級(jí)為鍛造堵閥兩種。1.1取消再熱汽熱段堵閥技術(shù)分析

取消再熱汽熱段堵閥是將堵閥徹底切除改為管道焊接的

技術(shù)。這種方案徹底消除了鑄造堵閥產(chǎn)生的隱患,減少了系統(tǒng)滲漏點(diǎn),改造費(fèi)用也相對(duì)較少;但此種方案改變了原有設(shè)計(jì),在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)需要在汽機(jī)側(cè)打堵板,因此會(huì)造成鍋爐受熱面水壓試驗(yàn)受到汽機(jī)檢修的制約,而且由于爐外管路蓄水量和壓力過大,將對(duì)中壓主汽門帶來較大安全隱患。

1.2將再熱汽熱段鑄造堵閥升級(jí)為鍛造堵閥技術(shù)分析

這種方案是將原有鑄造堵閥切除后升級(jí)更換為鍛造堵閥的技術(shù)。金屬經(jīng)過鍛造加工后能改善其組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。鑄造組織經(jīng)過鍛造方法熱加工變形后由于金屬的變形和再結(jié)晶,原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細(xì)、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織,使鋼錠內(nèi)原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等被壓實(shí)和焊合,其組織變得更加緊密,提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。此種方案在消除再熱汽熱段鑄造堵閥隱患的同時(shí)保持了原有設(shè)計(jì),鍋爐再熱汽系統(tǒng)可根據(jù)自身需要方便地進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

通過對(duì)比分析可知,取消再熱汽熱段鑄造堵閥還需對(duì)汽機(jī)中壓主汽門進(jìn)行改造,否則會(huì)影響鍋爐再熱汽水壓試驗(yàn)正常進(jìn)行,而將再熱汽熱段鑄造堵閥升級(jí)為鍛造堵閥,可以有效解決再熱汽熱段堵閥閥體裂紋隱患,且不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了再熱汽系統(tǒng)安全運(yùn)行可靠性。

2改造方案實(shí)施

2.1堵閥的承重梁校核計(jì)算

堵閥起吊承重梁選用36a工字鋼,據(jù)此進(jìn)行撓度與承重計(jì)算。撓度y=5gL4/（384EJ）=1.9mm,36a工字鋼允許撓度y=L/400=2000/400=5mm;載荷P=6t集中在外端,工字鋼允許載荷0=56×（w/L）/1000=24.5t。所以用36a工字鋼作為6t載荷的承重梁符合要求。

2.2支吊架的處理

堵閥為水平方向布置（y一Z向）,對(duì)4號(hào)機(jī)組末再管道支吊架進(jìn)行全面的固定工作,保證末再堵閥更換前后管系局部和整體受力合理,校核吊點(diǎn)載荷承載,確保管系穩(wěn)定性,減小更換前后錯(cuò)口偏差。更換具體措施如下:

（1）左右側(cè)末再管道水平段各配置支吊架7組,其中彈簧支吊架4組,阻尼器3組;垂直管道各配置支吊架2組,其中恒力吊架1組,剛性支吊架1組。

（2）對(duì)6號(hào)、11號(hào)恒力支吊架,3號(hào)、4號(hào)、13號(hào)、14號(hào)彈簧支吊架進(jìn)行鎖定,對(duì)吊架做好h記并記錄。

（3）對(duì)4號(hào)、13號(hào)吊架及5號(hào)、12號(hào)吊架上部彎頭附近管道用5t手拉葫蘆進(jìn)行臨時(shí)固定。

（4）在3號(hào)、14號(hào)吊架附近各增加一處徑向限位支架（①號(hào)限位支架）,y一Z向限位:6號(hào)、11號(hào)吊架附近各增加一處徑向限位支架（②號(hào)限位支架）,X一Z向限位。徑向限位支吊架安裝示意圖如圖1所示。

圖1徑向限位支吊架安裝示意圖

2.3吊裝方案

（1）布置卷揚(yáng)機(jī)。卷揚(yáng)機(jī)布置到鍋爐電梯側(cè)72m層,選用5t卷揚(yáng)機(jī),上方在80.8m層靠近K2排安裝懸臂梁,分別在鍋爐零米層和懸臂梁上安裝滑輪組。

（2）堵閥切割完成后用葫蘆起吊堵閥到一定高度,用側(cè)上方10t葫蘆接鉤,將堵閥移出并靠近最外側(cè)鋼結(jié)構(gòu),然后用卷揚(yáng)機(jī)放至鍋爐零米層,再把新堵閥從零米層吊至72m層進(jìn)行安裝。

（3）堵閥拆除和安裝:先拆除A側(cè),待A側(cè)堵閥放至零米層并把新堵閥吊至72m層后,用相同方法拆除和安裝B側(cè)堵閥。

2.4堵閥焊接及熱處理工藝

（1）焊縫部位的預(yù)熱寬度,從對(duì)口中心算起,壁厚25mm厚度的管件,每側(cè)不少于125mm,預(yù)熱溫度為150～200℃。

（2）施焊時(shí)必須由兩名焊工對(duì)稱焊接,施焊過程中除工藝要求外,必須連續(xù)完成不得中斷,如果焊接被迫停止,應(yīng)采取加熱保溫等防止產(chǎn)生裂紋的措施,再次進(jìn)行焊接時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查確認(rèn)無裂紋后,方可按照工藝要求繼續(xù)施焊。

（3）采用氬弧打底電焊蓋面多層多道焊焊接方式,采用MTs-3、62.4焊絲,打底層為兩層,每層厚度不超過3mm,采用TPhoenixCrMo9V、63.2焊條進(jìn)行填充,單層焊道的厚度不得超過3mm:焊道寬度不得超過12mm,焊接電流控制在80～120A之間,嚴(yán)格控制層間溫度≤250℃,每焊接完一道應(yīng)用砂輪或鋼絲刷仔細(xì)地進(jìn)行清理,并用沖擊氣錘敲擊焊縫直至焊縫布滿麻點(diǎn),各接頭應(yīng)錯(cuò)開。

（4）焊接結(jié)束后,焊工應(yīng)將焊縫表面的飛濺、焊瘤等清除干凈并對(duì)焊縫外觀進(jìn)行自檢無表露缺陷。

（5）焊接熱處理應(yīng)該在焊接完成后,焊件溫度降到80～100℃,保溫2h后立即進(jìn)行。

（6）熱電偶至少放六只,四支放在焊縫中心均勻分布整圈焊縫,用來控制溫度,其他放在距焊縫25mm處用來監(jiān)測(cè)溫度,確保熱電偶與焊件接觸良好,必要時(shí)進(jìn)行點(diǎn)固焊。

（7）熱處理時(shí),采用整圈加熱方式,加熱范圍從焊縫中心算起,壁厚25mm的管件,加熱寬度焊口每側(cè)不少于150mm。熱處理的保溫寬度,從焊縫坡口邊緣算起,壁厚25mm管件,每側(cè)不少于200mm:保溫棉厚度40～60mm,應(yīng)配備啟動(dòng)備用電源防止熱處理過程中加熱中斷。升降溫速度小于150℃/h,恒溫溫度750～770℃,恒溫時(shí)間4h。熱處理過程中,加熱范圍內(nèi)任意兩點(diǎn)間的溫度差應(yīng)小于50℃。

（8）焊縫焊接完成并熱處理后24h進(jìn)行驗(yàn)收檢驗(yàn),驗(yàn)收檢驗(yàn)采用硬度、MT探傷及UT方法:UT檢驗(yàn)技術(shù)采用B級(jí)檢測(cè)等級(jí),硬度測(cè)定區(qū)為焊縫區(qū)和熱影響區(qū),每條焊縫測(cè)4個(gè)部位,每個(gè)部位測(cè)定不少于3點(diǎn),硬度值符合DL/T438一2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求。

3鍋爐再熱汽堵閥升級(jí)項(xiàng)目實(shí)施

定州電廠于2017年4月利用4號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修的機(jī)會(huì),對(duì)4號(hào)鍋爐實(shí)施了再熱汽堵閥升級(jí)改造項(xiàng)目,將4號(hào)鍋爐再熱汽熱段左右側(cè)鑄造堵閥更換為鍛造堵閥,型號(hào)為DsD61H-P5880V,規(guī)格DN700,壓力8.0MPa,閥體材質(zhì)為F91,閥門進(jìn)出口配P91材質(zhì)管接頭,與管道材質(zhì)相同。鍛造方法使鋼錠內(nèi)原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等被壓實(shí)和焊合,其組織變得更加緊密,提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。此外,鍛造加工能保證金屬纖維組織的連續(xù)性,使鍛件的纖維組織與鍛件的外形保持一致,金屬流線完整,保證了零件具有良好的力學(xué)性能和較長的使用壽命。堵閥更換后經(jīng)磁粉、超聲、硬度檢測(cè)合格,為機(jī)組的長周期運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

4結(jié)語

為了防止鍋爐因再熱汽熱段堵閥閥體在工作應(yīng)力和啟停過程中溫差應(yīng)力等的共同作用下產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī):為了防止再熱汽熱段堵閥薄弱處爆裂,內(nèi)部高參數(shù)介質(zhì)泄漏而導(dǎo)致人身及設(shè)備損壞,給公司造成安全、經(jīng)濟(jì)損失,定州電廠對(duì)4號(hào)鍋爐再熱汽堵閥進(jìn)行了升級(jí)更換,用鍛造堵閥替換了原設(shè)計(jì)的鑄造堵閥。更換后鍋爐的安全性能與使用壽命得到改善,保證了機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,為解決鑄造堵閥的同類安全隱患問題提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。