超超臨界鍋爐蒸汽取樣管座裂紋分析

劉恩生

(華電國際技術服務中心,山東 濟南 250014)

超超臨界鍋爐蒸汽取樣管座裂紋分析

劉恩生

(華電國際技術服務中心,山東 濟南 250014)

超超臨界發電技術的發展,從采用引進技術設計到自主設計,再到完全自主設計,經歷了設計國產化、工藝國產化、生產國產化、調試國產化的過程.發展過程中,尤其是初期,難免暴露出設計、安裝等方面的一些問題,值得后期建設機組借鑒和改進.其中,蒸汽取樣裝置作為重要附件,為機組控制系統提供了壓力、溫度等重要參數信息.但也由于所處高溫高壓環境、設計、安裝等方面原因引起了一些裂紋、泄漏等問題.分析了超超臨界機組鍋爐蒸汽取樣管座發生裂紋的原因,重點從應力集中、焊接工藝和熱疲勞三方面進行了分析,并對解決措施進行了探討,提出了改進意見,為同類型機組提供了借鑒.

超超臨界機組;應力集中;焊接工藝;熱疲勞

2006年11月,華能玉環電廠1號百萬千瓦機組的投運,標志著我國百萬千瓦超超臨界工程設計、制造、建設技術的重大突破.十余年來,燃煤發電技術不斷創新,我國煤電超臨界/超超臨界機組無論容量、參數、效率、煤耗均達到世界領先水平,成為世界上具有超超臨界機組數量最多、蒸汽參數最高和供電煤耗最低的國家.

1 主蒸汽取樣管座裂紋泄漏

某電廠安裝了2臺高效超超臨界參數變壓直流爐,鍋爐主蒸汽出口參數為26.25 MPa/605℃,最大連續蒸發量為3 033 t/h.主汽管道材質為SA335-P92,主蒸汽管道出口在約73 m標高處兩側各安裝一套蒸汽取樣裝置.取樣裝置由管座和取樣管組成.

取樣管材質為1Cr18Ni9Ti,管座材質為SA-182F91.管座下端與主汽管道焊接,上側與取樣管接頭焊接.運行中發現取樣管管座漏汽,停爐處理.

1.1 原因分析

停機后檢查發現,該泄漏取樣管角焊縫為制造廠家焊口,對管座接管及焊縫進行材質復核,焊縫焊材為鎳基焊條,取樣管管座采用堆焊焊接方式,對取樣管斷面進行宏觀檢查,發現焊縫底部存在大量的夾雜物,且焊縫底部存在明顯的未焊透現象,斷面可見明顯的焊接波浪,焊縫與主蒸汽管道熔合較差,焊縫有效壁厚最小僅為10 mm,造成焊縫有效厚度較小,取樣管管座強度不足.

奧氏體鋼本身熱導率小、熔點低、線膨脹系數大,焊縫金屬高溫停留時間長,容易形成大的鑄態組織,并產生較大的拉伸應力,容易產生焊接應力裂紋和應力腐蝕開裂.該接頭在長周期的周期性加熱和冷卻狀態下工作,承受較大的周期性、較大的熱交變應力,運行中在最薄弱部位首先產生裂紋,隨著運行時間的延長,裂紋不斷擴展,最終造成該取樣管開裂泄漏.

1.2 處理

對該管座割除,進行了重新焊接處理,并對另一側相應取樣管座焊縫(裂紋對應部位)進行焊接補強.對其他取樣管座宏觀檢查無異常,對4大管道等高溫高壓管道所屬的疏放水管座、取樣管座、熱電偶等附件管座,利用機組檢修機會進行滾動檢查探傷.

2 某機組取樣管座多處裂紋

2.1 裂紋情況

某超超臨界機組鍋爐型號為DG3000/26.15-Ⅱ型,主蒸汽參數及取樣裝置布置形式與上例相同.檢修期間,對鍋爐取樣管座焊縫進行著色探傷,發現爐左取樣管座角焊縫存在長1/3周長裂紋,爐右管座角焊縫存在長3/4周長裂紋.裂紋均位于取樣管與管座焊縫靠近管座側的焊縫熔合線處.

大修期間,對另一臺鍋爐蒸汽取樣管座焊縫進行滲透檢測,發現爐左取樣管座存在長60 mm的長裂紋,爐右管座存在長17 mm的長裂紋.裂紋均位于取樣管與管座焊縫靠近管座側的焊縫熔合線處.

2.2 原因分析

現場檢查發現,蒸汽取樣管固定為剛性固定且距離管座較近,管子缺乏柔性,由于主蒸汽管道熱態膨脹位移,取樣管膨脹不暢、受力變形彎曲,應力得不到釋放,應力集中到取樣管根部與管座焊縫處,隨機組長時間運行逐步開裂,是管座裂紋的主要原因.

1Cr18Ni9Ti材質的不銹鋼管接頭與F91材質管座材料線膨脹系數不同,在熱應力作用下易出現裂紋,是管座裂紋的另一原因.閥門在運行時是常關的,管內存在溫度較低的積水,與主管道內部高溫蒸汽形成溫度差,冷熱過渡區域容易產生熱疲勞裂紋,促進了裂紋的產生和發展.

2.3 處理改造情況

2.3.1 消除膨脹受阻

膨脹受阻后應力集中,管座焊縫極易疲勞失效斷裂,存在很大的安全隱患.因此對主給水取樣管進行改造,在管座與取樣一次門之間增加1只膨脹彎,以增大取樣管的膨脹量.在新加裝膨脹彎的水平段加裝剛性支吊架,支吊架與取樣管連接處用不銹鋼鐵皮隔離.

2.3.2 挖除角焊縫裂紋

將角焊縫裂紋挖除,按照圖紙尺寸制備坡口,并對坡口表面進行滲透探傷檢查,無缺陷后,用鎳基焊絲恢復焊接.焊后對接管座焊縫及熱影響區進行局部熱處理.熱處理參數以F91管座為主,按照DL/T 819-2010標準執行,熱處理溫度為(760±5)℃.

3 改進建議

為減少或消除取樣管裂紋問題,建議從以下幾方面入手.

3.1 優化焊接工藝

正確引進焊接材料,調整焊縫化學成分;控制焊縫金屬組織,并采用合理的焊接工藝參數,小熱量輸入,控制層間溫度.

3.2 運行操作注意事項

操作時,取樣人員首先沖洗取樣器和取樣管路、冷卻器,閥門開啟速度和開度大小應適當,過快或過大都會造成取樣管內蒸汽流速急速增加,取樣管與主管道產生很大的壓差,壓力作用于管接頭與取樣管的角焊縫上,會導致裂紋的產生和擴大.

3.3 注重材質的選用

為了避免異種鋼焊接問題,部分電廠嘗試將主汽取樣管的材質改造為與管座材質相同,雖然焊接的可靠性提升,但在符合取樣管材質相關要求方面值得商榷.電力行業標準《水汽集中取樣分析裝置驗收導則》(DLT 665-2009)規定,樣品流經的管路和部件應能滿足所承受的壓力、溫度等參數要求,使用抗腐蝕、不污染水樣的材料,超超臨界機組高溫高壓段宜采用00Cr17Ni14Mo2(SUS316L/TP316L)無縫不銹鋼材質,其他熱力參數機組可選用1Cr18Ni9Ti(321)或00Cr19Ni11(AISI304L).在進行蒸汽取樣裝置改造時,應兼顧化學、鍋爐不同方面的規定要求,采用加一段短管的形式是一個可折衷的方案.

3.4 加大檢查、調整力度

加大4大管道、管系支吊架的檢查、調整力度,盡可能地消除附加在管道上和膨脹受阻所產生的附加應力,在空間彎管的設計上應盡可能地保證可以完全吸收機組熱態運行下的空間位移量.

3.5 嚴格控制和執行正確的熱處理工藝

所有高壓管道焊接后應嚴格控制和執行正確的熱處理工藝,盡可能地消除焊縫及焊接熔合線附近的殘余應力,并保持檢測硬度在標準范圍內和相鄰部位的均勻性.

[1]王俊.A335P91主蒸汽管道取樣管焊接工藝[J].內蒙古石油化工,2014(3):79-80.

[2]唐麗英,康豫軍,周榮燦,等.超超臨界機組主蒸汽取樣管IV型開裂[C]//清潔高效燃煤發電技術協作網年會,2009.

[3]彭欣.300 MW鍋爐主蒸汽管道取樣管二次門焊縫失效

分析及處理[J].金屬加工(熱加工),2013(2):46-48.

劉恩生(1976-),男,碩士,高級工程師,從事電廠技術研究技術服務工作.

〔編輯:劉曉芳〕

TG441.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.049

2095-6835(2017)22-0049-02