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內(nèi)置式除氧器焊縫缺陷安全評定

文檔作者：張艷飛王立新王英軍文檔來源：內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年03月15日
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內(nèi)蒙古電力技術(shù)
NER MONGOLIA EI ECTRIC POWER 20 1 2年第30卷 l期
內(nèi)置式除氧器焊縫缺陷安全評定
張艷飛，王立新。王英軍
(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020)
摘要：針對內(nèi)蒙古某電廠材質(zhì)為16MnR的內(nèi)置式除氧器縱焊縫夾渣缺陷，以16MnR的拉
伸性能、彈性模量、斷裂韌度以及疲勞裂紋的擴(kuò)展速率等相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)
BS7910，結(jié)合有限元應(yīng)力分析方法，對其焊縫夾渣缺陷進(jìn)行了安全評定、疲勞評定，并與依據(jù)
國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 19624-2004計算的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明該容器焊縫夾渣缺陷不會影
響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：除氧器；焊縫缺陷；有限元分析；等效裂紋；安全評定；疲勞評定；載荷比率；斷裂
比率
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1008～6218(2012)01—0096—04
Safe Assessment to Weld Defects of Built-in Type Deaerator
Zhang Yanfei，Wang Lixin，Wang Yingjun
(Inner Mongolia Electric Power Science ＆ Research Institute．Inner Mongolia Hohhot 010020)
Abstract：In accordance with longitudinal weld defects to 16MnR stee1 built—in type
deaerator at certain power plant in Inner Mongolia，based on relevant parameters to dilation
rate of orevein on tensile property， elastic modulus， fracture toughness， fatigue crack of
1 6MnR stee1． on basis of British Standard BS79 1 0． in combination with Finite Element
Analysis(FEA)，safe assessment and fatigue evaluation to its slag inclusion defect have
been implemented，and comparation with results calculated on basis of national standard
GB／T 1 9624- 2004 shows that slag inclusion exists in this vessel will not influence safetv
and stability operating of units．
Key words：deaerator；weld defect；Finite Element Analysis f FEA)；equivalent crack；
safe assessment；fatigue evaluation；load ratio；fracture ratio
0 引言
“合于使用”原則兼顧了安全性和經(jīng)濟(jì)性，在安
全評定領(lǐng)域中被廣泛采用?；凇昂嫌谑褂谩痹瓌t
開展壓力容器的安全評定工作有重要意義u。 。
對于在用含缺陷壓力容器的安全評定，國內(nèi)外
已經(jīng)有很多相關(guān)的評定標(biāo)準(zhǔn)。我國于2004年頒布
了基于“合于使用”原則的GB／T 19624-2004((在用
f收稿日期1
【作者簡介】
20l l-09-27
含缺陷壓力容器安全評定》 。國際上廣泛使用的
標(biāo)準(zhǔn)為英國BS7910：2005((金屬結(jié)構(gòu)中缺陷驗收評
定方法導(dǎo)則》 ，但在國內(nèi)相關(guān)評定中使用較少。
本文依據(jù)英國BS7910：2005，結(jié)合有限元分析
方法，對內(nèi)蒙古某電廠的內(nèi)置式除氧器(以下簡稱
除氧器)縱焊縫夾渣缺陷進(jìn)行了安全評定，并將評
定結(jié)果與GB／T 19624-2004的計算結(jié)果進(jìn)行對比。
張艷飛(1981一)，男，內(nèi)蒙 人，碩士'¨1：程師，從事金屬無損探傷、焊接、失效分析 作。
2012年第30卷 l期 艷 ， ：內(nèi) 式除氧 縫缺陷安全l、r定
1 除氧器焊縫缺陷
內(nèi)蒙古某電廠2號汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公
司制造的N300—16．7／537／537型，亞臨界、中間再熱、
直接空冷凝汽式300 MW 汽輪機(jī)。2號機(jī)組于
2007—07—31投產(chǎn)運(yùn)行，至2010年4月運(yùn)行已超過
20 000 h。在2010年4月壓力容器定期檢驗期間，
發(fā)現(xiàn)其除氧器簡體縱焊縫z2中存在1處長約260
mm的夾渣缺陷(編號F1)，缺陷起始位置距離焊縫
H2 660 mm。除氧器焊縫及缺陷分布見圖l。缺陷
埋藏深度距簡體外表面11～19 film。該容器總長
為18 900 mm，簡體內(nèi)徑3800 mm，簡體和封頭材質(zhì)
為16MnR，筒體和封頭壁厚為28 mill。容器設(shè)計壓
力1．3 MPa，設(shè)計溫度375 。
2 材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)
16MnR在GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼
板》中與16Mng、19Mng合并為Q345R。安全評定選
取的力學(xué)性能數(shù)據(jù)滿足GB 713—20()8的要求。
2．1 拉伸性能和彈性模量
測試除氧器簡體材料的拉伸性能和彈性模量
見表116-81。根據(jù)表1，評定時設(shè)計溫度下母材和焊接
接頭的RT (非比例延伸強(qiáng)度)、RT (抗拉強(qiáng)度)、E
(彈性模量)(T為溫度)分別取195 MPa，446 MPa和
l85 000 MPa。
2．2 斷裂韌度
在進(jìn)行安全評定時，】6MnR設(shè)計溫度下母材和
焊接接頭的斷裂韌度 =0．064 mmI6,8-91。
2．3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率
16MnR材料的疲勞擴(kuò)展速率見表21 I。疲勞擴(kuò)
展量計算時母材和焊接接頭均采用擴(kuò)展速率較快
表1 I6MnR的拉伸性能和彈性模量
項目譬 部位 舢a(chǎn) Pa E／MPa
表2 16MnR的疲勞裂紋擴(kuò)展速率
的da／dN數(shù)據(jù)：da／dN=A( ) ，
式中△ 裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍；
4一材料常數(shù)；
仇一材料常數(shù)。
由于設(shè)計溫度為375℃ ，選擇A=1．466x10，m=
2．289。
3 有限元分析
除氧器的安全評定過程中需要得到缺陷所在
部位的應(yīng)力分布狀況。使用有限元分析軟件AN．
SYS對除氧器運(yùn)行過程中簡體和含缺陷焊縫應(yīng)力分
布狀況進(jìn)行數(shù)值模擬。容器母材和焊縫的本構(gòu)關(guān)
系根據(jù)國標(biāo)GB 6397-1986t 制備拉伸試樣，通過拉
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9
‘
Z叁l 1Ln J、 l， 0k,Q Z3 Z5 Z7 Z9 ‘) l
Z2 Z4 Z6 Z8
．
F1
． 1960 ． ． 2300 ． ． 2300 ． ．2000
． ．
1600 ． ．2300 ． 20oo ． 。2300 ． ．2140 ．
圖l 除氧器焊縫分布示意圖
單位：mm
內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2012年 30卷第1媯
伸試驗得到。
除氧器有限元模型采用Solid185 8節(jié)點(diǎn)6面體
2次單元，該模型是3維8節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，其8個
頂點(diǎn)就是8個節(jié)點(diǎn)。
由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，在實際計算的過程中，將
實體模型進(jìn)行了分割，不同部位的實體模型采用不
同的網(wǎng)格劃分方法。對于比較對稱的承受內(nèi)壓的
壓力容器，用規(guī)則化的網(wǎng)格易獲得較準(zhǔn)確的分析結(jié)
果，因此，整個有限元模型中包含了映射網(wǎng)格
(Mapped)和體掃掠網(wǎng)格(Sweep)。在劃分網(wǎng)格的過
程中，充分考慮了應(yīng)力梯度較大、應(yīng)力集中和容易
出現(xiàn)缺陷部位的情況，對網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，以得到
比較精確的計算結(jié)果。除氧器整體模型和有限元
模型見圖2。
整體模型
有限元模型
圖2 除氧器整體模型和有限元模型
筒體施加均布載荷，固定支座區(qū)域節(jié)點(diǎn)全約
束，滑動支座區(qū)域節(jié)點(diǎn)允許徑向位移，內(nèi)壁施加均
勻壓力面載荷。利用ANSYS的Linearized Stress(應(yīng)
力線性化)功能，得到安全評定所需缺陷部位分類
應(yīng)力，如一次膜應(yīng)力(Pm)、一次彎曲應(yīng)力(P6)。出
于保守度考慮，缺陷評定時選取最大應(yīng)力值。按照
前述的載荷和約束，得到應(yīng)力云圖，見圖3。
圖3 除氧器節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布云圖
4 除氧器焊縫缺陷評定
根據(jù)BS7910：2005，除氧器筒體夾渣缺陷可簡
化為橢圓型埋藏裂紋。按照圖4中等效裂紋換算方
法，除氧器筒體焊縫夾渣缺陷等效裂紋換算結(jié)果見
表3。
圖中：n一缺陷自身高度；一缺陷半長；P一缺陷邊界至容器
內(nèi)表面距離； 一缺陷分布長度；B一缺陷處簡體壁厚
圖4 等效裂紋示意圖
表3 夾渣缺陷等效裂紋尺寸
缺陷編號缺陷描述2a／mm 2c／mm p／mm
Fl 環(huán)向8 260 11 2300 28
4．I 安全性評定
4．1．1 一級評定
載荷比率計算公式為：S ： ，
O'f
式中or 廠一參考應(yīng)力；
廠流變應(yīng)力。
斷裂比率計算公式為： = ，
式中6 一試驗實測值，6 =0．064；
6廠裂紋張開位移。
載荷比率和斷裂比率計算結(jié)果見表4。
表4 一級評定載荷比率和斷裂比率計算結(jié)果
依據(jù)BS7910，一級評定FAD圖見圖5。當(dāng)
、 <—l，S <。 √2 0．8時，缺陷可接受。由圖5可知，除
氧器夾渣缺陷評定點(diǎn)落在安全區(qū)內(nèi)，表明筒體中的
夾渣缺陷通過一級評定。
依據(jù)GB／T 19624-2004對除氧器夾渣缺陷進(jìn)
行一級評定也采用FAD圖形式。由表4知，評定點(diǎn)
2012年第3O卷 1 張№ ．等： 式除氧器焊縫缺陷發(fā)傘坪定
S
圖中：~-BS7910：2005評定點(diǎn)結(jié)果；
·—GB，I1 19624-2004評定結(jié)果
圖5 一級評定FAD圖
落在安全區(qū)域內(nèi)，缺陷通過一級評定。
4．I．2 二級評定
r— 一
斷裂比率計算公式為 =f +p，
m a
式中p～ 殘余應(yīng)力矯正因子。
載荷比率計算公式為￡ = ，( 為屈服強(qiáng)
U
度)。載荷比率和斷裂比率計算結(jié)果見表5。
表5 載荷比率和斷裂比率計算結(jié)果
依據(jù)BS7910，二級評定FAD圖見圖6。根據(jù)表
5的計算結(jié)果，將坐標(biāo)點(diǎn)繪制在圖6中，可見評定的
除氧器簡體夾渣缺陷的評定點(diǎn)落在安全區(qū)內(nèi)，表明
在正常運(yùn)行工況下，簡體中的夾渣缺陷是安全的。
依據(jù)GB／T 19624-2004，對除氧器夾渣缺陷進(jìn)
行二級評定仍采用FAD圖形式。由圖6知，評定點(diǎn)
￡
圖中：-一BS791O：2005評定點(diǎn)結(jié)果；
·—GB廠r 19624-2004評定結(jié)果
圖6 二級評定FAD圖
落在安全區(qū)域內(nèi)，缺陷通過二級評定。
4．2 疲勞評定
等效裂紋尺寸a=4 mm，臨界裂紋尺寸口 =5．22
mm。因此，除氧器在設(shè)計溫度和壓力工況下，除氧
器簡體夾渣缺陷的等效裂紋尺寸n小于其最大容許
裂紋尺寸a ，且S ≤0．8，故除氧器夾渣缺陷不會引
起失穩(wěn)破裂。
當(dāng)應(yīng)力比心>0．5時，碳錳鋼在空氣中疲勞裂紋
的擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)度因子變化范圍門檻值△ =63 N／
mm 。停機(jī)時，將焊縫夾渣缺陷處的最小應(yīng)力定為
0，應(yīng)力強(qiáng)度見表6。缺陷處的應(yīng)力強(qiáng)度因子變化范
圍：
AK，= (YAo") ， (1)
其中，(y△盯)=(YAcr) +(YAor) 。 (2)
疲勞裂紋擴(kuò)展壽命計算：
N 2a
。 (3)
出于保守度考慮，壽命安全系數(shù) 取4。剩余
壽命計算結(jié)果見表7。
表6 應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍
依據(jù)BS7910，由表7的計算結(jié)果可知，最大應(yīng)
力強(qiáng)度因子范圍(227．92 N／mm )所對應(yīng)的允許承
受循環(huán)次數(shù)為1368次。
依據(jù)GB／T 19624-2004，在不消除夾渣缺陷的
前提下，除氧器的簡體可承受循環(huán)次數(shù)為1 155次。
綜上可知，該除氧器可以帶此缺陷安全穩(wěn)定運(yùn)
行，并且GB／T 19624-2004的計算結(jié)果較BS7910的
保守
5 結(jié)論
(1)在實際運(yùn)行和設(shè)計工況下，該除氧器焊縫
夾渣缺陷通過了一級、二級評定，可安全穩(wěn)定運(yùn)行；
(2)對除氧器焊縫夾渣缺陷進(jìn)行評定的過程
中，高估了容器的承受載荷水平和焊縫中的殘余應(yīng)
力水平(取母材的屈服強(qiáng)度，實際值- ， i
J02 內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2012年第30卷第1}lf』
抗尼奎斯特譜線可知，A1—15Zn涂層具有較低腐蝕
電位、較低腐蝕速率的同時，還具有較低的交流阻抗
值(即導(dǎo)電性能好)，是治理接地網(wǎng)腐蝕良好的噴涂
材料 I。
3 結(jié)論
(1)Al及Al—zn復(fù)合涂層均能夠起到保護(hù)基
體、延緩腐蝕、延長接地網(wǎng)使用壽命的作用；
(2)A1一Zn復(fù)合涂層中，A1—15Zn涂層抗腐蝕性
能最佳；
(3)Al涂層與A1—15Zn復(fù)合涂層都可以增強(qiáng)基
體Q235鋼的抗腐蝕性能，但Al涂層在腐蝕過程中，
表面鈍化生成AI 0 保護(hù)膜，使涂層的交流阻抗值增
加。而A1—15Zn復(fù)合涂層在提高接地網(wǎng)抗腐蝕性能
的同時，交流阻抗沒有顯著增加，因此是治理接地網(wǎng)
腐蝕的理想材料。
(4)A1—15Zn復(fù)合涂層噴涂方法簡單易行，而
且原料價格低廉、易得，因此，可廣泛應(yīng)用于接地網(wǎng)
腐蝕的治理。
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編輯：張俊英
◇ ◇一?一一?一+一·+-+一一 ”?一+· 一+????一～?·一一+◇◇
一 一般小于此值)，因此評定結(jié)果偏于
保守，在進(jìn)一步工作中應(yīng)細(xì)化；
(3)依據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)BS7910，結(jié)合斷裂力學(xué)和有
限元應(yīng)力分析方法對除氧器進(jìn)行安全評定的結(jié)果
與依據(jù)GB／T 19624-2004評定的結(jié)果一致，因此在
相關(guān)評定中也可采用。
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