三角加强圈结构压力式旋膜式除氧器水箱缺陷的检验与处理

     介绍了吉林省某电厂2号旋膜式除氧器的泄漏情况、检验与修复方法,由于采用了不合理的三角形加强圈,加强圈焊接工艺不合理,实际壁厚低于满负荷情况下的壁厚要求,导致缺陷产生并泄漏,对检验中发现的裂纹消除后,用电焊补焊,经检验没有发现缺陷,提出了该旋膜式除氧器的运行监控措施。
     20世纪80年代我国发生过多起旋膜式除氧器水箱爆破事故,造成人员伤亡。目前国内一些在用老旧机组的旋膜式除氧器是20世纪80年代制造、投运,一直在运行中。这一类旋膜式除氧器一般具有如下特点:运行时间长,一般都在30年以上,目前都是超期服役运行;旋膜式除氧器水箱存在三角形加强圈等结构不合理;运行中出现过泄漏等现象且无法正常处理。这类旋膜式除氧器的检验与缺陷处理存在较大的难度,下面介绍一起带有三角支撑结构的压力式旋膜式除氧器缺陷检验与处理。
1、泄漏情况
     吉林省某电厂2号旋膜式除氧器1987年制造,设计压力0.6MPa,设计温度160℃,容器内径3000mm,主体材质质量20g,筒体壁厚10mm,换热面积为74.34m2,工作介质为蒸汽和水,1988年1月投入运行,系统是母管制,旋膜式除氧器在运行期间水位波动较大。2003年起该台旋膜式除氧器陆续出现泄漏,至2009年9月共计9次,具体如下。
     a.2003年9月9日,漏点位置在水箱南侧,经着色探伤确定泄漏源为裂纹,在水箱外部长度为20mm,位于西侧数二环缝加强筋上。
     b.2006年5月15日,漏点位置位于水箱南侧靠近西侧端头2条环缝西540mm,距纵缝60mm,对应水箱内部西数1条三角支架支撑点前侧,打磨发现裂纹向上达到100mm,将裂纹全部磨掉补焊。
     c.2006年6月16日和2006年11月15日,水箱南侧发现漏点,进行表面补焊。
     d.2008年6月2日,水箱漏水,采取补焊处理。
     e.2009年7月27日,水箱南侧距离东部支架1015mm距离地面1950mm发现裂纹,长度80mm,挖补后补焊处理。
     f.2009年8月17日,补焊焊口下部出现裂纹,裂纹长110mm,挖补后补焊处理。
     g.2009年8月21日,水箱南侧距离西侧支架300mm,距离地面860mm处有圆形缺陷引起泄漏,补焊处理。
     h.2009年9月7日,水箱北侧出现长度为300mm裂纹,进行挖补、补焊处理。
2、检验项目
     主要依据TSGR7001—2004《压力容器定期检验规则》、原能源部1991年颁发的《电站压力式旋膜式除氧器安全技术规定》、《电站压力式旋膜式除氧器安全技术规定编制说明》进行检验。
2.1技术资料审查
     缺少设计资料,尤其没有图纸、设计安装说明和计算书,不符合TSGR7001—2004的相关规定。
2.2宏观检验
     采取相关的安全措施之后,进行内外部宏观检验,发现问题及处理意见如下:水箱底部有淤泥等杂物,应该予以清除;2只安全阀,均设在了水箱上,而《电站压力式旋膜式除氧器安全技术规定》2.4.1条规定:每台旋膜式除氧器配置的安全阀不少于2只,应分别直接安装在除氧头和给水箱上,所以该安全阀的设置不符合要求;加强圈焊缝单个长度低于200mm,短的仅为50mm,在旋膜式除氧器水箱筒体内部,共有6处加强圈采用三角形结构,其中西侧1、2条环形加强圈与筒体连接焊缝水线以下部分开裂。
2.3无损检测
     对容器环、纵焊缝和部分出现过泄漏的筒体进行无损检测,未发现超标缺陷;在水箱内部对水线以下加强圈与筒体焊缝进行渗透检验,西数二环缝发现2处裂纹,南侧中心线偏下位置1处长约110mm裂纹,沿熔合线分布,已经裂到母材;底部中间原来补焊位置1处长70mm裂纹,沿熔合线分布,已经裂到母材;实测筒体的小壁厚为9.5mm。
     综合以上情况,该台旋膜式除氧器的安全级别为4级,需要对缺陷进行处理并监控使用。
3、缺陷原因分析
3.1采用了不合理的三角形加强圈
     2号高压旋膜式除氧器水箱出现泄漏的部位均在三角形加强圈附近。根据《电站压力式旋膜式除氧器安全技术规定》2.3.9条规定:加强圈应采用轴惯性矩大、制造方便的截面形状,不宜采用带三角形支撑的加强圈,主要是由于三角形支撑的刚度太大,约束了给水箱的连续变形,造成应力集中,这种应力一般是纵向应力较大。满水情况下高应力区出现在加强圈上,大应力在三角支撑的顶部。该台压力容器所在的热力系统是母管制,因此水位经常有较大的波动,在三角支撑的约束下,也产生了较大的应力变化。
3.2加强圈焊接工艺不合理
     西侧1、2条环形加强圈与筒体连接焊缝水线以下部分开裂。《电站压力式旋膜式除氧器安全技术规定》2.3.9条规定:加强圈与给水箱筒体之间宜采用均匀交错断续焊接,不宜采用满焊结构。加强圈每侧间断焊缝总长度不应少于给水箱内圆周长的1、3,焊缝的间距不大于给水箱壁厚12倍,每条间断焊缝的长度不宜小于200mm。
     实际检验发现加强圈焊缝的设置不符合规程要求,加强圈焊缝单个长度短的仅为50mm,这种连接焊缝造成了加强圈焊缝没有起到足够的连接作用。在启停机或者是水位波动大的情况下,无法承受足够大的应力,检验中还发现三角支撑结构的支撑点形成较大的应力。西侧1、2条环形加强圈与筒体连接焊缝水线以下部分开裂,与焊接质量差有很大的关系。
3.3壁厚低于满负荷情况下的壁厚要求
     根据TSGR7001—20044章25条(10)的规定:结构不合理,并且已发现严重缺陷,因此需要进行壁厚强度校核。
     旋膜式除氧器水箱筒体的小壁厚Dmin计算公式为:Dmin=〔2[Dt<ip〕+C1+C2(1)式中:p为旋膜式除氧器设计工作压力,取0.6MPa;Di为旋膜式除氧器水箱内径,取3000mm;[R]t为设计温度下的许用应力,该材质设计温度160℃下的许用应力为123MPa;<为焊缝系数,取0.85;C1为钢板设计负偏差,取0.8mm;C2为腐蚀余量,取1.6mm。
     将上述数据带入(1)式中,得到Dmin=11.03mm。实际测量的小壁厚Dmin=9.5mm,表明实际壁厚低于满负荷情况下的壁厚要求。
     根据公式(1)的计算结果,实测壁厚低于小壁厚,需要重新调整运行压力,按照温度不变定压运行考虑,运行大压力pmax计算公式为:2Dmin[R]t(Dmin-C1-C2)Di+Dmin-C1-C2将数据带入(2)式,得到pmax=0.494MPa因此,运行时的大压力不应超过0.494MPa。
4、补焊处理
     经检验确定裂纹全部消除后,用电焊补焊,检验合格后回装割下的加强筋,焊接工艺如下。
     a.坡口形式要能保证焊接质量、填充金属尽量少,减少焊接应力和变形,坡口形状采用V形坡口。坡口及补焊周围10mm内用磨光机对表面清理,露出金属光泽,并不得有油污和锈垢等。
     b.用ZX7-400逆变式电焊机、E5015电焊条补焊,焊条380℃烘干1h,取出放在焊条保温筒内随用随取,贯穿性缺陷采用单面焊双面成形的焊接方法补焊。
     c.层焊缝选用直径<3.2mm焊条,电流强度90～110A,保证焊缝与母材融合良好;次层焊缝采用<3.2mm焊条,电流强度110～120A,多层多道焊接方法,收弧时应待弧坑填满后熄弧,确认无缺陷后方可继续进行层次焊缝的补焊工作。焊缝缓冷后采用机械加工方法使焊缝表面与母材圆滑过渡。
     d.质量检验包括外观检验和无损检验。补焊后清除焊渣、焊瘤和飞溅物等,金属表面应平整并平滑过渡到母材,补焊处不允许存在裂纹、未熔合、气孔、夹渣等缺陷,对补焊区进行无损检验合格。
     对检验中发现的裂纹挖补,按照上述工艺补焊,对补焊区域在焊接24h后检验没有发现缺陷。
5、监控措施
     a.2号旋膜式除氧器实测小壁厚9.5mm,经过校核,低于满足大设计工作压力0.6MPa下的小壁厚10mm,需要在运行期间控制大工作压力不超过0.494MPa。
     b.启停期间,控制压力和温度升降速度,尽量保持水位稳定,避免较大振动,防止局部形成较大的应力。
     c.结合机组检修,在下一次安全性能检验期间做好壁厚测量、内部结构件连接处焊缝质量的宏观检查,特别是存在超压和振动较大的情况下要做好内部检查,发现缺陷及时处理。