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內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：內蒙古電力科學研究院		點擊數：	更新時間： 2025年03月15日
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內蒙古電力技術
NER MONGOLIA EI ECTRIC POWER 20 1 2年第30卷 l期
內置式除氧器焊縫缺陷安全評定
張艷飛，王立新。王英軍
(內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特010020)
摘要：針對內蒙古某電廠材質為16MnR的內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展速率等相關數據為基礎，依據英國標準
BS7910，結合有限元應力分析方法，對其焊縫夾渣缺陷進行了安全評定、疲勞評定，并與依據
國家標準GB／T 19624-2004計算的結果進行了比較，結果表明該容器焊縫夾渣缺陷不會影
響機組安全穩定運行。
關鍵詞：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
文獻標志碼：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濟性，在安
全評定領域中被廣泛采用。基于“合于使用”原則
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，國內外
已經有很多相關的評定標準。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
標準為英國BS7910：2005((金屬結構中缺陷驗收評
定方法導則》 ，但在國內相關評定中使用較少。
本文依據英國BS7910：2005，結合有限元分析
方法，對內蒙古某電廠的內置式除氧器(以下簡稱
除氧器)縱焊縫夾渣缺陷進行了安全評定，并將評
定結果與GB／T 19624-2004的計算結果進行對比。
張艷飛(1981一)，男，內蒙 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 式除氧 縫缺陷安全l、r定
1 除氧器焊縫缺陷
內蒙古某電廠2號汽輪機為上海汽輪機有限公
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。2號機組于
2007—07—31投產運行，至2010年4月運行已超過
20 000 h。在2010年4月壓力容器定期檢驗期間，
發現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，簡體內徑3800 mm，簡體和封頭材質
為16MnR，筒體和封頭壁厚為28 mill。容器設計壓
力1．3 MPa，設計溫度375 。
2 材料力學性能數據
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
取的力學性能數據滿足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。根據表1，評定時設計溫度下母材和焊接
接頭的RT (非比例延伸強度)、RT (抗拉強度)、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
在進行安全評定時，】6MnR設計溫度下母材和
焊接接頭的斷裂韌度 =0．064 mmI6,8-91。
2．3 疲勞裂紋擴展速率
16MnR材料的疲勞擴展速率見表21 I。疲勞擴
展量計算時母材和焊接接頭均采用擴展速率較快
表1 I6MnR的拉伸性能和彈性模量
項目譬 部位 舢a Pa E／MPa
表2 16MnR的疲勞裂紋擴展速率
的da／dN數據：da／dN=A( ) ，
式中△ 裂紋尖端應力強度因子范圍；
4一材料常數；
仇一材料常數。
由于設計溫度為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
部位的應力分布狀況。使用有限元分析軟件AN．
SYS對除氧器運行過程中簡體和含缺陷焊縫應力分
布狀況進行數值模擬。容器母材和焊縫的本構關
系根據國標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
內蒙古電力技術 2012年 30卷第1媯
伸試驗得到。
除氧器有限元模型采用Solid185 8節點6面體
2次單元，該模型是3維8節點固體結構單元，其8個
頂點就是8個節點。
由于結構形式復雜，在實際計算的過程中，將
實體模型進行了分割，不同部位的實體模型采用不
同的網格劃分方法。對于比較對稱的承受內壓的
壓力容器，用規則化的網格易獲得較準確的分析結
果，因此，整個有限元模型中包含了映射網格
(Mapped)和體掃掠網格(Sweep)。在劃分網格的過
程中，充分考慮了應力梯度較大、應力集中和容易
出現缺陷部位的情況，對網格進行了細化，以得到
比較精確的計算結果。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，固定支座區域節點全約
束，滑動支座區域節點允許徑向位移，內壁施加均
勻壓力面載荷。利用ANSYS的Linearized Stress(應
力線性化)功能，得到安全評定所需缺陷部位分類
應力，如一次膜應力(Pm)、一次彎曲應力(P6)。出
于保守度考慮，缺陷評定時選取最大應力值。按照
前述的載荷和約束，得到應力云圖，見圖3。
圖3 除氧器節點應力分布云圖
4 除氧器焊縫缺陷評定
根據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 廠一參考應力；
廠流變應力。
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果見表4。
表4 一級評定載荷比率和斷裂比率計算結果
依據BS7910，一級評定FAD圖見圖5。當
、 <—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落在安全區內，表明筒體中的
夾渣缺陷通過一級評定。
依據GB／T 19624-2004對除氧器夾渣缺陷進
行一級評定也采用FAD圖形式。由表4知，評定點
2012年第3O卷 1 張№ ．等： 式除氧器焊縫缺陷發傘坪定
S
圖中：~-BS7910：2005評定點結果；
·—GB，I1 19624-2004評定結果
圖5 一級評定FAD圖
落在安全區域內，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～ 殘余應力矯正因子。
載荷比率計算公式為￡ = ，( 為屈服強
U
度)。載荷比率和斷裂比率計算結果見表5。
表5 載荷比率和斷裂比率計算結果
依據BS7910，二級評定FAD圖見圖6。根據表
5的計算結果，將坐標點繪制在圖6中，可見評定的
除氧器簡體夾渣缺陷的評定點落在安全區內，表明
在正常運行工況下，簡體中的夾渣缺陷是安全的。
依據GB／T 19624-2004，對除氧器夾渣缺陷進
行二級評定仍采用FAD圖形式。由圖6知，評定點
￡
圖中：-一BS791O：2005評定點結果；
·—GB廠r 19624-2004評定結果
圖6 二級評定FAD圖
落在安全區域內，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
起失穩破裂。
當應力比心>0．5時，碳錳鋼在空氣中疲勞裂紋
的擴展應力強度因子變化范圍門檻值△ =63 N／
mm 。停機時，將焊縫夾渣缺陷處的最小應力定為
0，應力強度見表6。缺陷處的應力強度因子變化范
圍：
AK，= (YAo") ， (1)
其中，(y△盯)=(YAcr) +(YAor) 。 (2)
疲勞裂紋擴展壽命計算：
N 2a
。 (3)
出于保守度考慮，壽命安全系數 取4。剩余
壽命計算結果見表7。
表6 應力強度因子范圍
依據BS7910，由表7的計算結果可知，最大應
力強度因子范圍(227．92 N／mm )所對應的允許承
受循環次數為1368次。
依據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次數為1 155次。
綜上可知，該除氧器可以帶此缺陷安全穩定運
行，并且GB／T 19624-2004的計算結果較BS7910的
保守
5 結論
(1)在實際運行和設計工況下，該除氧器焊縫
夾渣缺陷通過了一級、二級評定，可安全穩定運行；
(2)對除氧器焊縫夾渣缺陷進行評定的過程
中，高估了容器的承受載荷水平和焊縫中的殘余應
力水平(取母材的屈服強度，實際值- ， i
J02 內蒙古電力技術 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(即導電性能好)，是治理接地網腐蝕良好的噴涂
材料 I。
3 結論
(1)Al及Al—zn復合涂層均能夠起到保護基
體、延緩腐蝕、延長接地網使用壽命的作用；
(2)A1一Zn復合涂層中，A1—15Zn涂層抗腐蝕性
能最佳；
(3)Al涂層與A1—15Zn復合涂層都可以增強基
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 保護膜，使涂層的交流阻抗值增
加。而A1—15Zn復合涂層在提高接地網抗腐蝕性能
的同時，交流阻抗沒有顯著增加，因此是治理接地網
腐蝕的理想材料。
(4)A1—15Zn復合涂層噴涂方法簡單易行，而
且原料價格低廉、易得，因此，可廣泛應用于接地網
腐蝕的治理。
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編輯：張俊英
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一 一般小于此值)，因此評定結果偏于
保守，在進一步工作中應細化；
(3)依據英國標準BS7910，結合斷裂力學和有
限元應力分析方法對除氧器進行安全評定的結果
與依據GB／T 19624-2004評定的結果一致，因此在
相關評定中也可采用。
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