火力发电厂锅炉再热汽堵阀裂纹治理方法的研究与应用

引言

定州电厂4号锅炉的堵阀阀体均为合金铸钢件,合金铸钢件浇注时采用"顺序凝固",从而导致铸件的温差大、热应力大、变形大。冷凝时各部金属因冷却速度不同而收缩不一致,再加上铸型和型芯的阻碍作用,铸件的固态收缩会受到制约而产生铸造应力。为消除应力,合金铸钢件一般进行调质等最终热处理,但由于铸造阀门壁厚结构复杂,热处理过程控制稍有偏差,便会导致较大残余应力存在。对存在裂纹的阀体进行光谱复验,检测结果符合标准要求,s、P杂质元素不超标;从宏观检查分析,阀体裂纹全部处于表面及近表面,较深的裂纹出现在结构变化大的应力集中部位,当铸件中存在内应力时会处于不稳定状态,虽经最终热处理释放应力,但由于阀门结构复杂、壁厚厚、尺寸大,或多或少会存在残余应力。使用过程中,铸件内的残留应力将重新分布,当与其他应力相互叠加时,再加上汽水阀门系统受力复杂,结构本身尺寸、形状存在差异,应力集中作用将更加明显,在工作应力和启停过程中温差应力等的共同作用下,铸件产生裂纹的倾向就会增大,当综合应力值超过合金的抗拉强度时将产生裂纹。

2010一2014年计划检修期间,对4号锅炉再热汽热段左右侧堵阀阀体进行磁粉检查,发现堵阀阀体存在较多裂纹或砂眼,将存在的阀体裂纹进行打磨,直至裂纹、砂眼消除,进行无损探伤复检,合格后按照焊接工艺要求进行补焊,补焊完成后再次复检合格,但长期运行过程中仍然存在阀体裂纹隐患。

因此,为了防止锅炉因再热汽热段堵阀阀体在工作应力和启停过程中温差应力等的共同作用下产生裂纹,导致非计划停机;为了防止再热汽热段堵阀薄弱处爆裂,内部高参数介质泄漏导致人身及设备损坏,给公司造成安全、经济损失,定州电厂对4号锅炉再热汽堵阀进行了升级更换,用锻造堵阀替换了原设计的铸造堵阀。更换后锅炉的安全性能与使用寿命得到了改善,保证了机组的安全、稳定、经济运行,为解决铸造堵阀的同类安全隐患问题提供了可借鉴的经验。

1改造方案研究

为了有效避免堵阀铸造缺陷及裂纹的形成,提升堵阀安全运行可靠性,目前可行的技术方案主要有取消再热汽热段铸造堵阀及将再热汽热段铸造堵阀升级为锻造堵阀两种。1.1取消再热汽热段堵阀技术分析

取消再热汽热段堵阀是将堵阀彻底切除改为管道焊接的

技术。这种方案彻底消除了铸造堵阀产生的隐患,减少了系统渗漏点,改造费用也相对较少;但此种方案改变了原有设计,在进行水压试验时需要在汽机侧打堵板,因此会造成锅炉受热面水压试验受到汽机检修的制约,而且由于炉外管路蓄水量和压力过大,将对中压主汽门带来较大安全隐患。

1.2将再热汽热段铸造堵阀升级为锻造堵阀技术分析

这种方案是将原有铸造堵阀切除后升级更换为锻造堵阀的技术。金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶,原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织,使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等被压实和焊合,其组织变得更加紧密,提高了金属的塑性和力学性能。此种方案在消除再热汽热段铸造堵阀隐患的同时保持了原有设计,锅炉再热汽系统可根据自身需要方便地进行水压试验。

通过对比分析可知,取消再热汽热段铸造堵阀还需对汽机中压主汽门进行改造,否则会影响锅炉再热汽水压试验正常进行,而将再热汽热段铸造堵阀升级为锻造堵阀,可以有效解决再热汽热段堵阀阀体裂纹隐患,且不改变系统结构,提高了再热汽系统安全运行可靠性。

2改造方案实施

2.1堵阀的承重梁校核计算

堵阀起吊承重梁选用36a工字钢,据此进行挠度与承重计算。挠度y=5gL4/（384EJ）=1.9mm,36a工字钢允许挠度y=L/400=2000/400=5mm;载荷P=6t集中在外端,工字钢允许载荷0=56×（w/L）/1000=24.5t。所以用36a工字钢作为6t载荷的承重梁符合要求。

2.2支吊架的处理

堵阀为水平方向布置（y一Z向）,对4号机组末再管道支吊架进行全面的固定工作,保证末再堵阀更换前后管系局部和整体受力合理,校核吊点载荷承载,确保管系稳定性,减小更换前后错口偏差。更换具体措施如下:

（1）左右侧末再管道水平段各配置支吊架7组,其中弹簧支吊架4组,阻尼器3组;垂直管道各配置支吊架2组,其中恒力吊架1组,刚性支吊架1组。

（2）对6号、11号恒力支吊架,3号、4号、13号、14号弹簧支吊架进行锁定,对吊架做好h记并记录。

（3）对4号、13号吊架及5号、12号吊架上部弯头附近管道用5t手拉葫芦进行临时固定。

（4）在3号、14号吊架附近各增加一处径向限位支架（①号限位支架）,y一Z向限位:6号、11号吊架附近各增加一处径向限位支架（②号限位支架）,X一Z向限位。径向限位支吊架安装示意图如图1所示。

图1径向限位支吊架安装示意图

2.3吊装方案

（1）布置卷扬机。卷扬机布置到锅炉电梯侧72m层,选用5t卷扬机,上方在80.8m层靠近K2排安装悬臂梁,分别在锅炉零米层和悬臂梁上安装滑轮组。

（2）堵阀切割完成后用葫芦起吊堵阀到一定高度,用侧上方10t葫芦接钩,将堵阀移出并靠近最外侧钢结构,然后用卷扬机放至锅炉零米层,再把新堵阀从零米层吊至72m层进行安装。

（3）堵阀拆除和安装:先拆除A侧,待A侧堵阀放至零米层并把新堵阀吊至72m层后,用相同方法拆除和安装B侧堵阀。

2.4堵阀焊接及热处理工艺

（1）焊缝部位的预热宽度,从对口中心算起,壁厚25mm厚度的管件,每侧不少于125mm,预热温度为150～200℃。

（2）施焊时必须由两名焊工对称焊接,施焊过程中除工艺要求外,必须连续完成不得中断,如果焊接被迫停止,应采取加热保温等防止产生裂纹的措施,再次进行焊接时应仔细检查确认无裂纹后,方可按照工艺要求继续施焊。

（3）采用氩弧打底电焊盖面多层多道焊焊接方式,采用MTs-3、62.4焊丝,打底层为两层,每层厚度不超过3mm,采用TPhoenixCrMo9V、63.2焊条进行填充,单层焊道的厚度不得超过3mm:焊道宽度不得超过12mm,焊接电流控制在80～120A之间,严格控制层间温度≤250℃,每焊接完一道应用砂轮或钢丝刷仔细地进行清理,并用冲击气锤敲击焊缝直至焊缝布满麻点,各接头应错开。

（4）焊接结束后,焊工应将焊缝表面的飞溅、焊瘤等清除干净并对焊缝外观进行自检无表露缺陷。

（5）焊接热处理应该在焊接完成后,焊件温度降到80～100℃,保温2h后立即进行。

（6）热电偶至少放六只,四支放在焊缝中心均匀分布整圈焊缝,用来控制温度,其他放在距焊缝25mm处用来监测温度,确保热电偶与焊件接触良好,必要时进行点固焊。

（7）热处理时,采用整圈加热方式,加热范围从焊缝中心算起,壁厚25mm的管件,加热宽度焊口每侧不少于150mm。热处理的保温宽度,从焊缝坡口边缘算起,壁厚25mm管件,每侧不少于200mm:保温棉厚度40～60mm,应配备启动备用电源防止热处理过程中加热中断。升降温速度小于150℃/h,恒温温度750～770℃,恒温时间4h。热处理过程中,加热范围内任意两点间的温度差应小于50℃。

（8）焊缝焊接完成并热处理后24h进行验收检验,验收检验采用硬度、MT探伤及UT方法:UT检验技术采用B级检测等级,硬度测定区为焊缝区和热影响区,每条焊缝测4个部位,每个部位测定不少于3点,硬度值符合DL/T438一2016《火力发电厂金属技术监督规程》要求。

3锅炉再热汽堵阀升级项目实施

定州电厂于2017年4月利用4号机组C级检修的机会,对4号锅炉实施了再热汽堵阀升级改造项目,将4号锅炉再热汽热段左右侧铸造堵阀更换为锻造堵阀,型号为DsD61H-P5880V,规格DN700,压力8.0MPa,阀体材质为F91,阀门进出口配P91材质管接头,与管道材质相同。锻造方法使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等被压实和焊合,其组织变得更加紧密,提高了金属的塑性和力学性能。此外,锻造加工能保证金属纤维组织的连续性,使锻件的纤维组织与锻件的外形保持一致,金属流线完整,保证了零件具有良好的力学性能和较长的使用寿命。堵阀更换后经磁粉、超声、硬度检测合格,为机组的长周期运行奠定了基础。

4结语

为了防止锅炉因再热汽热段堵阀阀体在工作应力和启停过程中温差应力等的共同作用下产生裂纹,导致非计划停机:为了防止再热汽热段堵阀薄弱处爆裂,内部高参数介质泄漏而导致人身及设备损坏,给公司造成安全、经济损失,定州电厂对4号锅炉再热汽堵阀进行了升级更换,用锻造堵阀替换了原设计的铸造堵阀。更换后锅炉的安全性能与使用寿命得到改善,保证了机组的安全、稳定、经济运行,为解决铸造堵阀的同类安全隐患问题提供了可借鉴的经验。