高壓加熱器給水管道爆裂原因分析及對策

陸春燕 肖向虹

攀鋼集團鋼鐵釩鈦股份有限公司發電廠 四川攀枝花市

攀鋼發電廠3#機組為100MW機組，配備2臺高壓加熱器（簡稱高加），為立式串聯布置，疏水逐級自流，水位采用自動調節。2012年3月，3-2#高壓加熱器給水管道進水彎管于機組開啟過程中發生爆裂。該彎管設計為Φ273mm×22.2mm的90°熱壓彎頭無縫鋼管，材料st45.8Ⅲ（20G）。機組開機時，最高工作壓力17.81MPa，機組帶10萬kW·h負荷時管道工作壓力為15～16.5MPa，溫度達195℃左右。爆管當日機組帶4萬kW·h負荷，給水母管道壓力為16.78MPa，溫度在90℃左右。該管道累計運行已達102 496h。

一、宏觀檢驗

爆裂發生在彎管段，爆開的殘片已脫離管體并墜地。圖1為炸開的彎頭部位，基本上沿彎曲點分離，但沒有超過彎曲切線點。裂口距上端焊縫400mm，距下端焊縫100mm。裂口長460mm，寬300mm。宏觀斷口上顯示兩個斷裂源：一處在右邊斷口中部的缺口區，管壁厚度已減薄到12mm；另一處在左邊斷口中部，長70mm，深11mm的疲勞裂紋，但管壁無明顯減薄（圖2）。圖3顯示左邊斷口外貌及斷裂源，疲勞裂紋起于鋼管外表面。上邊斷口管壁幾乎未減薄。圖4為下邊斷口外貌，斷口邊緣顯示多條原始裂紋。

對彎管進行外徑和厚度檢測，發現彎管最大直徑278mm，最大壁厚21mm、最小壁厚19mm，管壁厚度不均勻。與設計值相比（設計值Φ73mm×22.2mm）外徑相差5mm，壁厚小于設計要求。

圖1 炸裂的彎道外貌

二、化學成分分析

在鋼管直管段切取試樣，用直讀光譜儀檢驗爆管的化學成分，結果見表1。爆管的化學成分符合GB/T 5310-1999高壓用無縫鋼管標準中對st45.8Ⅲ（20G）鋼的技術要求，但含有其他元素，如：Ali-0.035 Mo-0.0048，Al-0.0148，Alsol-0.0119，Sb-0.039 Sn-0.083，As-0.035。

三、金相檢驗

1.低倍檢驗

直管段部分緊挨焊縫切取的橫截面鋼管，磨平、熱鹽酸水溶液浸蝕后的低倍組織形態見圖5。可見原始鋼管不圓，且厚度不均，測量最大直徑約為277mm，最小直徑約為270mm；最厚處壁厚約24mm，最薄處約17mm。通過斷裂源切取的環狀試樣，仍然顯示管壁厚度不均勻（圖6）。

圖2 東邊斷口外貌及斷裂源（缺口處）

圖3 西邊斷口外貌及斷裂源

圖4 南邊斷口外貌，斷口邊緣顯示多條裂紋

表1 鋼管的化學成分 （%）

原始鋼管失圓且壁厚不均勻，是在彎管時可能由于內部支撐不足，或120°弧面加熱控制不良，致使彎管變薄加劇。注意到嚴重變薄發生在彎管東側，并非于鋼管彎頭外弧側，足證加熱部位及彎曲方向發生偏差。

2.顯微組織分析

圖5 緊挨焊縫切取的橫向磨片的低倍組織圖

分別直管段緊挨焊縫處及兩個斷裂源區切取試樣，于拋光態檢驗出嚴重的集中夾雜（圖7）。浸蝕后的試樣，直管段的組織為晶粒細小的鐵素體+珠光體，屬無縫鋼管熱軋態組織。彎管斷裂源區組織（鐵素體+珠光體）較前者粗大，有所變形（圖8）。彎管斷裂源區組織（鐵素體+珠光體），亦較粗大（圖9）。

圖6 通過斷裂源切取的半環狀試片

圖7 所取試樣拋光態下的夾雜形態

圖8 東邊斷裂源區組織

鋼管中出現集中夾雜說明材料存在一定的脆性。彎頭的組織粗于直管段，則推測彎管彎制時加熱溫度過高，且彎制后管道又沒經熱處理工序去細化組織。

3.斷口分析

（1）體視顯7鏡斷口觀察。斷口及斷裂源區顯示結晶狀脆斷特征（圖10），圖11為斷口裂紋源區的形貌，其斜向觀察見圖12。由圖12可見斷裂起源于皮下大夾雜。

圖9 西邊斷裂源區組織

圖10 西邊斷口裂紋源的形貌

圖11 東邊斷口裂紋源形態

圖12 東邊斷口斷裂起源于次表面夾雜

（2）掃描電鏡斷口觀察。斷口裂紋源區觀察到密集夾雜（圖13及表2），其裂紋擴展區顯示拉長的韌窩（圖14）。斷口裂紋源區的斷口形貌見圖13，于低倍率下可見大量夾雜，裂紋擴展區斷口形貌為穿晶解理和韌窩混合，且有大量夾雜（圖14）。說明材料存在脆斷特征。

表2 斷口裂紋源區的SEM形態中元素含量

圖13 斷口裂紋源區的SEM形態（白亮點為夾雜）

圖14 斷口顯示拉長的韌窩

圖15 斷口疲勞源區的斷口形貌

圖16 裂紋擴展區（其間有大量夾雜）

四、運行操作及其他檢查

3-2#高加給水管彎頭爆管當日，因鍋爐故障，汽輪機打閘停機，此時高加保護動作，高加給水進口門自動關閉。在機組負荷恢復時，操作人員在高加水側沒有正常投入前，錯誤先投入高加汽側，50s后開啟高加電動門組投入給水，隨即給水管彎頭爆裂。此過程中1#高加出水溫度一直維持在90℃左右。

對高加給其他水進出口彎管、直管及焊縫進行了外觀、磁粉及超聲波檢測，發現高加給水進出口彎管中有兩個彎管背弧面分別有一條表面裂紋，長41mm，經打磨后缺陷消除；另有一彎管最大壁厚21mm、最小壁厚19mm，管壁厚度不均勻，最小壁厚小于設計要求；其余彎管及直管未見明顯缺陷。

高加給水彎管爆裂處是在水平管段延伸位置，此處長期受管內給水的沖擊。1#高加至2#高加之間8m長的給水管道有6個彎頭，直管道短，應力集中在彎頭處。

五、綜合分析及處理對策

1.綜合分析

爆裂的彎管存在原始材料缺陷及彎管加工缺陷。一方面該彎管屬疲勞開裂，疲勞源在東西兩側，皆起源于材料缺陷，即彎管中含有大量非金屬夾雜，斷裂起源于皮下大夾雜，其斷口穿晶解理且其間混有淺的韌窩形貌，說明材料已有明顯的脆化特征。另一方面彎管存在制造質量缺陷。首先，原始鋼管失圓且壁厚不均勻，在彎管時可能由于內部支撐不足，或120°弧面加熱控制不良，致使彎管變薄加劇。其次，檢驗中發現鋼管彎頭的組織粗于直管段，出現閃爍狀結晶狀斷口及穿晶解理斷口形貌。可能鋼管在彎制時加熱溫度過高，彎制后又沒經熱處理細化組織，發生應變的彎管，由于未經退火或正火熱處理，使用溫度受熱加速了應變時效的脆化過程。

高加給水管道本體結構設計不合理，1#高加至2#高加之間8m長的給水管道有6個彎頭，因受空間的限制，直管道短，柔性弱，不利于彎管應力的釋放，應力集中在彎頭處。

因停機后的每次開啟，在內壓的作用下，于缺陷根部受到拉應力而萌生疲勞裂紋，加上系統的振動，使疲勞裂紋擴展。本次管道爆裂是在鍋爐故障打閘停機后，系統重新開啟過程中發生的，由于操作不當將高加汽側先于水側投入運行，隨后立刻通過給泵投入給水，此時，高加給水彎管受管內給水沖擊力的作用，疲勞裂紋加速擴展，當裂紋擴展到不能承受內壓時便發生了炸管。由于材料已經脆化，裂口沒有大面積屈服或鼓脹效應，不是以液體泄漏方式松弛應力，而是以脆斷釋放能量，因此整塊脆裂飛離管體。

2.處理對策

根據分析結論，發電廠擬定對同一時期、同批次進廠的8個相同材料和規格的給水管道彎頭進行更換處理。特別制定彎管備件制作的技術條件，要求彎管制造、安裝和驗收按《電力建設施工及驗收技術規范》（管道篇）、GB 5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》、DL/T 515-2004《電站彎管》、DL/T 438-2009《火力發電廠金屬技術監督規程》等規程進行制造和驗收。

在備件制造過程中，派駐專業人員對備件的材質、機械性能、制造工藝、檢測化驗等進行全過程監督。確保備件材料、彎制、熱處理、各項檢驗等符合技術要求、標準和規范，避免上述類似缺陷的產生。

在檢修過程中，及時調整給水管道支吊架。減少因的支撐吊架的松動、管道振動等造成彎道彎頭及焊縫應力集中的現象。并利用3#機組小修機會，對3-1#至3-2#高加之間的給水管道及自動旁路管道進行更換，包括Φ273mm×24mm直管12.3m、Φ273mm×24mm 90°彎頭 6 個、Φ133mm×12mm 直管 16m、Φ133mm×12mm 90°彎頭 12個；Φ28mm×2.5mm 排氣、放水管各3根。

在焊接過程中，重視焊接質量的把控。請教攀研院焊接專家，制定嚴密的焊接施工方案，安排具有資格和焊接經驗豐富的焊接人員，嚴格按施工方案進行施工。并對3#機高加給水管道施工的所有焊口進行100%的無損探傷檢驗，直至焊縫質量檢驗合格。

在運行中，強調高加在投運或停運過程中的操作規范，即延長高加投運前的暖管時間、控制投運過程中溫升和停運時的降溫速度、控制好高加水側壓力，同時注意投汽、水側的順序等。

另外，利用機組大小修機會，加強對該彎頭進行不定期檢驗，盡早發現問題，排除再次發生爆管的可能。

六、結束語

通過對3#高加給水管道彎頭爆裂的原因分析，采取了相應的對策和措施，并進行有效的實施，保證了電廠高加給水管的安全運行。該機組運行至今，3#高加給水管道運行正常，沒有發生泄漏和爆裂等事故。