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内置式除氧器焊缝缺陷安全评定

文档作者：张艳飞王立新王英军文档来源：内蒙古电力科学研究院		点击数：	更新时间： 2025年03月15日
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内蒙古电力技术
NER MONGOLIA EI ECTRIC POWER 20 1 2年第30卷 l期
内置式除氧器焊缝缺陷安全评定
张艳飞，王立新。王英军
(内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特010020)
摘要：针对内蒙古某电厂材质为16MnR的内置式除氧器纵焊缝夹渣缺陷，以16MnR的拉
伸性能、弹性模量、断裂韧度以及疲劳裂纹的扩展速率等相关数据为基础，依据英国标准
BS7910，结合有限元应力分析方法，对其焊缝夹渣缺陷进行了安全评定、疲劳评定，并与依据
国家标准GB／T 19624-2004计算的结果进行了比较，结果表明该容器焊缝夹渣缺陷不会影
响机组安全稳定运行。
关键词：除氧器；焊缝缺陷；有限元分析；等效裂纹；安全评定；疲劳评定；载荷比率；断裂
比率
文献标志码：A
文章编号：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”原则兼顾了安全性和经济性，在安
全评定领域中被广泛采用。基于“合于使用”原则
开展压力容器的安全评定工作有重要意义u。 。
对于在用含缺陷压力容器的安全评定，国内外
已经有很多相关的评定标准。我国于2004年颁布
了基于“合于使用”原则的GB／T 19624-2004((在用
f收稿日期1
【作者简介】
20l l-09-27
含缺陷压力容器安全评定》 。国际上广泛使用的
标准为英国BS7910：2005((金属结构中缺陷验收评
定方法导则》 ，但在国内相关评定中使用较少。
本文依据英国BS7910：2005，结合有限元分析
方法，对内蒙古某电厂的内置式除氧器(以下简称
除氧器)纵焊缝夹渣缺陷进行了安全评定，并将评
定结果与GB／T 19624-2004的计算结果进行对比。
张艳飞(1981一)，男，内蒙 人，硕士'¨1：程师，从事金属无损探伤、焊接、失效分析 作。
2012年第30卷 l期 艳 ， ：内 式除氧 缝缺陷安全l、r定
1 除氧器焊缝缺陷
内蒙古某电厂2号汽轮机为上海汽轮机有限公
司制造的N300—16．7／537／537型，亚临界、中间再热、
直接空冷凝汽式300 MW 汽轮机。2号机组于
2007—07—31投产运行，至2010年4月运行已超过
20 000 h。在2010年4月压力容器定期检验期间，
发现其除氧器简体纵焊缝z2中存在1处长约260
mm的夹渣缺陷(编号F1)，缺陷起始位置距离焊缝
H2 660 mm。除氧器焊缝及缺陷分布见图l。缺陷
埋藏深度距简体外表面11～19 film。该容器总长
为18 900 mm，简体内径3800 mm，简体和封头材质
为16MnR，筒体和封头壁厚为28 mill。容器设计压
力1．3 MPa，设计温度375 。
2 材料力学性能数据
16MnR在GB 713—2008《锅炉和压力容器用钢
板》中与16Mng、19Mng合并为Q345R。安全评定选
取的力学性能数据满足GB 713—20()8的要求。
2．1 拉伸性能和弹性模量
测试除氧器简体材料的拉伸性能和弹性模量
见表116-81。根据表1，评定时设计温度下母材和焊接
接头的RT (非比例延伸强度)、RT (抗拉强度)、E
(弹性模量)(T为温度)分别取195 MPa，446 MPa和
l85 000 MPa。
2．2 断裂韧度
在进行安全评定时，】6MnR设计温度下母材和
焊接接头的断裂韧度 =0．064 mmI6,8-91。
2．3 疲劳裂纹扩展速率
16MnR材料的疲劳扩展速率见表21 I。疲劳扩
展量计算时母材和焊接接头均采用扩展速率较快
表1 I6MnR的拉伸性能和弹性模量
项目譬 部位 舢a Pa E／MPa
表2 16MnR的疲劳裂纹扩展速率
的da／dN数据：da／dN=A( ) ，
式中△ 裂纹尖端应力强度因子范围；
4一材料常数；
仇一材料常数。
由于设计温度为375℃ ，选择A=1．466x10，m=
2．289。
3 有限元分析
除氧器的安全评定过程中需要得到缺陷所在
部位的应力分布状况。使用有限元分析软件AN．
SYS对除氧器运行过程中简体和含缺陷焊缝应力分
布状况进行数值模拟。容器母材和焊缝的本构关
系根据国标GB 6397-1986t 制备拉伸试样，通过拉
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 ．
图l 除氧器焊缝分布示意图
单位：mm
内蒙古电力技术 2012年 30卷第1妫
伸试验得到。
除氧器有限元模型采用Solid185 8节点6面体
2次单元，该模型是3维8节点固体结构单元，其8个
顶点就是8个节点。
由于结构形式复杂，在实际计算的过程中，将
实体模型进行了分割，不同部位的实体模型采用不
同的网格划分方法。对于比较对称的承受内压的
压力容器，用规则化的网格易获得较准确的分析结
果，因此，整个有限元模型中包含了映射网格
(Mapped)和体扫掠网格(Sweep)。在划分网格的过
程中，充分考虑了应力梯度较大、应力集中和容易
出现缺陷部位的情况，对网格进行了细化，以得到
比较精确的计算结果。除氧器整体模型和有限元
模型见图2。
整体模型
有限元模型
图2 除氧器整体模型和有限元模型
筒体施加均布载荷，固定支座区域节点全约
束，滑动支座区域节点允许径向位移，内壁施加均
匀压力面载荷。利用ANSYS的Linearized Stress(应
力线性化)功能，得到安全评定所需缺陷部位分类
应力，如一次膜应力(Pm)、一次弯曲应力(P6)。出
于保守度考虑，缺陷评定时选取最大应力值。按照
前述的载荷和约束，得到应力云图，见图3。
图3 除氧器节点应力分布云图
4 除氧器焊缝缺陷评定
根据BS7910：2005，除氧器筒体夹渣缺陷可简
化为椭圆型埋藏裂纹。按照图4中等效裂纹换算方
法，除氧器筒体焊缝夹渣缺陷等效裂纹换算结果见
表3。
图中：n一缺陷自身高度；一缺陷半长；P一缺陷边界至容器
内表面距离； 一缺陷分布长度；B一缺陷处简体壁厚
图4 等效裂纹示意图
表3 夹渣缺陷等效裂纹尺寸
缺陷编号缺陷描述2a／mm 2c／mm p／mm
Fl 环向8 260 11 2300 28
4．I 安全性评定
4．1．1 一级评定
载荷比率计算公式为：S ： ，
O'f
式中or 厂一参考应力；
厂流变应力。
断裂比率计算公式为： = ，
式中6 一试验实测值，6 =0．064；
6厂裂纹张开位移。
载荷比率和断裂比率计算结果见表4。
表4 一级评定载荷比率和断裂比率计算结果
依据BS7910，一级评定FAD图见图5。当
、 <—l，S <。 √2 0．8时，缺陷可接受。由图5可知，除
氧器夹渣缺陷评定点落在安全区内，表明筒体中的
夹渣缺陷通过一级评定。
依据GB／T 19624-2004对除氧器夹渣缺陷进
行一级评定也采用FAD图形式。由表4知，评定点
2012年第3O卷 1 张№ ．等： 式除氧器焊缝缺陷发伞坪定
S
图中：~-BS7910：2005评定点结果；
·—GB，I1 19624-2004评定结果
图5 一级评定FAD图
落在安全区域内，缺陷通过一级评定。
4．I．2 二级评定
r— 一
断裂比率计算公式为 =f +p，
m a
式中p～ 残余应力矫正因子。
载荷比率计算公式为￡ = ，( 为屈服强
U
度)。载荷比率和断裂比率计算结果见表5。
表5 载荷比率和断裂比率计算结果
依据BS7910，二级评定FAD图见图6。根据表
5的计算结果，将坐标点绘制在图6中，可见评定的
除氧器简体夹渣缺陷的评定点落在安全区内，表明
在正常运行工况下，简体中的夹渣缺陷是安全的。
依据GB／T 19624-2004，对除氧器夹渣缺陷进
行二级评定仍采用FAD图形式。由图6知，评定点
￡
图中：-一BS791O：2005评定点结果；
·—GB厂r 19624-2004评定结果
图6 二级评定FAD图
落在安全区域内，缺陷通过二级评定。
4．2 疲劳评定
等效裂纹尺寸a=4 mm，临界裂纹尺寸口 =5．22
mm。因此，除氧器在设计温度和压力工况下，除氧
器简体夹渣缺陷的等效裂纹尺寸n小于其最大容许
裂纹尺寸a ，且S ≤0．8，故除氧器夹渣缺陷不会引
起失稳破裂。
当应力比心>0．5时，碳锰钢在空气中疲劳裂纹
的扩展应力强度因子变化范围门槛值△ =63 N／
mm 。停机时，将焊缝夹渣缺陷处的最小应力定为
0，应力强度见表6。缺陷处的应力强度因子变化范
围：
AK，= (YAo") ， (1)
其中，(y△盯)=(YAcr) +(YAor) 。 (2)
疲劳裂纹扩展寿命计算：
N 2a
。 (3)
出于保守度考虑，寿命安全系数 取4。剩余
寿命计算结果见表7。
表6 应力强度因子范围
依据BS7910，由表7的计算结果可知，最大应
力强度因子范围(227．92 N／mm )所对应的允许承
受循环次数为1368次。
依据GB／T 19624-2004，在不消除夹渣缺陷的
前提下，除氧器的简体可承受循环次数为1 155次。
综上可知，该除氧器可以带此缺陷安全稳定运
行，并且GB／T 19624-2004的计算结果较BS7910的
保守
5 结论
(1)在实际运行和设计工况下，该除氧器焊缝
夹渣缺陷通过了一级、二级评定，可安全稳定运行；
(2)对除氧器焊缝夹渣缺陷进行评定的过程
中，高估了容器的承受载荷水平和焊缝中的残余应
力水平(取母材的屈服强度，实际值- ， i
J02 内蒙古电力技术 2012年第30卷第1}lf』
抗尼奎斯特谱线可知，A1—15Zn涂层具有较低腐蚀
电位、较低腐蚀速率的同时，还具有较低的交流阻抗
值(即导电性能好)，是治理接地网腐蚀良好的喷涂
材料 I。
3 结论
(1)Al及Al—zn复合涂层均能够起到保护基
体、延缓腐蚀、延长接地网使用寿命的作用；
(2)A1一Zn复合涂层中，A1—15Zn涂层抗腐蚀性
能最佳；
(3)Al涂层与A1—15Zn复合涂层都可以增强基
体Q235钢的抗腐蚀性能，但Al涂层在腐蚀过程中，
表面钝化生成AI 0 保护膜，使涂层的交流阻抗值增
加。而A1—15Zn复合涂层在提高接地网抗腐蚀性能
的同时，交流阻抗没有显著增加，因此是治理接地网
腐蚀的理想材料。
(4)A1—15Zn复合涂层喷涂方法简单易行，而
且原料价格低廉、易得，因此，可广泛应用于接地网
腐蚀的治理。
【参考文献1
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编辑：张俊英
◇ ◇一⋯一一⋯一+一·+-+一一 ”⋯一+· 一+⋯⋯⋯⋯一～⋯·一一+◇◇
一 一般小于此值)，因此评定结果偏于
保守，在进一步工作中应细化；
(3)依据英国标准BS7910，结合断裂力学和有
限元应力分析方法对除氧器进行安全评定的结果
与依据GB／T 19624-2004评定的结果一致，因此在
相关评定中也可采用。
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