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锅炉对流管胀口断裂原因分析

发布时间:2019-11-25 11:21 来源:未知 编辑:admin

  ,结构形式为双锅筒横置式炉排炉,膨胀方式为下胀式(即上锅筒为支承锅筒,下锅筒活动);对流管材质为20G,规格φ51mm×3.5mm。

  该锅炉2004年通过升高上锅筒标高、增加对流管束和水冷壁管长度并增加一组省煤器,进行扩容改造后额定蒸发量增至30t/h。

  该锅炉投入运行2个榨季(实际运行时间约200011)后,在停炉进行内部检验时,发现下锅筒绝热层有浸水迹象,进一步检查后发现共有6根最前排对流管(凝渣管)与下锅筒胀接位置有环向裂纹产生,裂纹位置均位于管下方,裂纹距胀口扳边处距离基本相同,裂纹附近管壁厚度未见明显减薄。

  经查阅扩容改造资料及现场检查发现,该锅炉2004年改造时将全部对流管加长了2.5m,但没有重新进行膨胀计算,也未采取任何处理措施;而且最前一排对流管(凝渣管)间砌有异形砖隔烟墙并与炉膛后墙浇筑连接固定。因此锅炉膨胀收缩时的变形量较改造前有所增加,而炉墙及浇筑结构又在很大程度上限制了对流管和下锅筒的自由变形。

  管子均断裂于胀接过渡位置,裂纹沿环向延伸约1/3~1/2圈,管内外表面无明显腐蚀痕迹。

  宏观检查及体视显微观察发现,除主裂纹及次生的几条小裂纹外,管子外壁其余部位未见其他裂纹。断口部位由外壁至内的大部分区域表面氧化严重呈灰黑色,靠内圈约1/10壁厚区域内表面光亮为最后断裂区,部分区域存在锈蚀痕迹。

  取管样断口断面管壁及裂纹尖端位置按G B/T13299—1991《钢的显微组织评定方法》进行金相检验,裂纹尖端部位金相表明裂纹从外壁开始,呈沿晶和穿晶混合向内壁发展;断口附近区域及裂纹尖端部位金相组织均为正常的铁素体+珠光体。

  利用Spectro定量光谱仪,按GB/T 14203—1993《钢铁及合金光电发射光谱分析法通则》对该管样品进行元素分析,分析结果表明该样品所检元素含量符合GB 5310—1999~,1t20G成分含量的要求。

  利用扫描电子显微镜对试样断口断面进行分析,结果表明断口大部分表面氧化严重,靠内壁的最后断裂区呈等轴和拉长的韧窝形态,与20G受拉应力断裂特征一致。

  根据设计资料及运行条件,用有限元分析软件ALGOR对断裂对流管处进行建模分析。

  首先,通过Solidworks建立对流管与下锅筒胀接实体简化模型(不考虑锅体周围对流管孔影响及锅筒形变量),而后利用ALGOR对实体模型网格化后加载温度(400℃)及下锅筒自由膨胀等边界条件,模拟锅筒在对流管作用下向上运动时的应力水平。

  1)CAD模型建立:根据JB/T 9619—1999《工业锅炉胀接技术条件》中胀接工艺建立管一板胀接实体模型,如图1所示。

  2)管设计材质为20G,由于软件材料库无相应牌号,分析采用材料与之相似的AISI 1020钢;温度参数取400℃。模型规模为:表面单元数3659,节点数5314。有限元计算结果见图2所示,应力分布按颜色由蓝到红依次增大。根据设计资料,该管胀口距第一个弯头位置为300mm。计算模型中模拟管受向上拉力,拉力沿弯头传递弯距(即锅筒整体向上运动时管端胀口位置受力情况),由最大应力分布可知,在管胀口下方外部胀接过渡区位置的应力集中最大,且应力随管子与垂直方向的夹角的增大而增加。

  综上所述:由于受到炉墙和浇筑结构的制约限制,以及温度、介质及锅筒自重的影响,锅筒在向上移动时,沿对流管弯头传递力矩致使管子下方胀接过渡区受拉伸及剪切作用,形成应力集中区,从而发展为由外壁向内的环向裂纹,最终导致第一排对流管与下锅筒胀接位置沿下方断裂。

  经分析得知,造成该锅炉对流管胀口断裂的主要原因是对流管膨胀受限所造成的,因此处理措施主要以解决对流管束自由膨胀问题为主要目的”。

  1)炉墙改造。取消最前排对流管(凝渣管)问砌筑的异形砖隔烟墙,以减轻对流管的承重;取消该隔烟墙与炉膛后墙的浇筑连接结构,以消除限制自由膨胀的因素;重新计算膨胀变形量后,按计算结果相应增加对流管束问所有隔烟墙的膨胀间隙。

  2)最前排对流管(凝渣管)改造。采用带鳍片的管子代替原来的光管,并制成屏式结构,以替代原来的异形砖砌筑墙体起到隔烟墙的作用;增加管子胀口到第一个弯头的直段长度,以减小变形时拉力的传递力矩,同时增大安全弹性变形量。

  3)加强运行控制。在运行中坚决避免紧急启动升压、紧急停炉;尽量稳定负荷,不大范围波动;适当减缓启动升压速度和停炉泄压速度。

  该糖厂于2007年委托保山锅炉厂按照上述方案对该锅炉进行了修理改造,并于当年开始投入使用,至今已运行了3个榨季(实际运行时间3000~1以上)。运行过程中未出现任何异常;停炉进行内部检验,锅炉本体各受压部件也均未发现新增缺陷,对流管胀口等重点部位也再未发现裂纹等缺陷的产生。

  对于双锅筒结构的锅炉在采用升高上锅筒标高、增加对流管束和水冷壁管长度的方法进行扩容改造时,应充分考虑由于受热面管增长所引起的膨胀量的变化,必须要重新进行膨胀计算,并对锅炉本体、砌筑墙体做相应的改造,以避免出现因膨胀受限而导致受压部件失效的严重后果。

  1窦照英.承压设备失效分析与处理.北京:化学工业出版社,2002:23~58.

  2胡于进,王璋奇.有限元分析及应用.北京:清华大学出版社,2009:285~322.

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