火力發電廠幾種高溫承壓金屬部件損傷分析及處理

吉建兵

(遼寧東方發電有限公司，遼寧 撫順 113007)

火力發電廠高溫、承壓汽水系統上的部件由于結構不連續、介質參數變化和運行時間增加等原因會產生熱疲勞損傷等，尤其高溫金屬部件偏離設計工況下運行時損傷更為嚴重。其中，蒸汽管道和聯箱上的各類導出、引入管的母材、角焊縫及管道或聯箱開孔附近母材常產生熱疲勞裂紋，隨著機組運行時間的延長可能導致部件泄漏而發生機組非計劃停機。尤其服役10萬h以上的機組，相關部件由于熱疲勞損傷的積累，開始出現蠕變裂紋，積累到一定程度會導致部件失效。新機組的高溫承壓金屬部件一般因為高溫高壓部件結構不合理和錯用材質而導致失效。

為避免或減少這種損壞導致的機組非停，把幾次高溫承壓金屬部件發生損壞的失效情況和處理辦法逐一進行研究。

1 350 MW機組機側匯流排聯箱T型接頭損壞

匯流排聯箱是汽輪機側的一種異型聯箱，如圖1、圖2所示。工作原理：匯集主汽系統和再熱熱段系統的輸水，集中排放，設備運行近1萬h，在運行中導出管與聯箱連接部位脫開，發生泄漏，機組被迫停機，扒保溫檢查發現聯箱接管自與聯箱連接焊接接頭處脫開，如圖3所示。

圖1 350 MW機組匯流排聯箱結構

圖2 350 MW機組原始設計匯流排聯箱結構示意圖

圖3 350 MW機組匯流排角焊縫失效

經分析，這種連接結構發生失效的原因是由于T型結構的連接處沒有使用管座進行加強導致角焊縫處連接強度不足，使接管在結構不連續的角焊縫處脫開，發生泄漏，導致機組非停。

經分析和強度計算，這種聯箱系統結構的連接結構強度不足，導致泄漏，為避免此類事故的重復發生，需對部件結構按《火力發電廠汽水管道零件及部件典型設計》的相關規定進行改造、加強，并結合其結構特點，設計出加強管座，按焊接規程的要求，選取合適的焊材、焊接方式和熱處理工藝，進行結構改型焊接改造，系統恢復連接后，至今已安全運行近10萬h，每次機組停機檢修都進行跟蹤檢查，各項檢查未發現異常。改造后的匯流排聯箱結構如圖4所示。

圖4 350 MW機組改造后匯流排聯箱結構示意圖

2 200 MW機組爐側集汽聯箱向空排汽管管座和聯箱母材的損壞

200 MW機組鍋爐集汽聯箱向空排汽管是該型鍋爐的重要高溫、承壓部件。其工作原理為機組啟動前和異常工況時，系統通過向空排汽管緊急向外排出系統內的空氣和蒸汽，保持設備的運行安全(見圖5)。機組在額定參數運行時向空排汽管道系統是封閉的，因此造成機組正常運行時向空排汽管內距離聯箱越遠，溫度越低，導致向空排汽管內的部分蒸汽會發生凝結，形成凝結水順立管向下流動，對金屬部件造成熱疲勞損傷。

圖5 200 MW機組集汽聯箱和向空排汽管實物結構

從該類型機組同類部件長期運行的情況看，這一接管結構在其設計工況下長期運行存在不安全隱患，有的甚至發生爆破事故，特別是這種連接系統中排汽管管座位于集汽聯箱上部，由其運行工作原理可知，會造成向空排汽管中經常有凝結水回流到接管管孔，甚至流到下部聯箱內部。由于機組參數變化等原因造成有凝結水頻繁、周期性產生和流動，對接管、管座母材以及聯箱開孔孔壁產生了交變溫度應力，交變應力積累到一定程度會導致管座母材和聯箱開孔的孔壁內表面產生熱疲勞裂紋(見圖6—圖8)。隨著機組運行時間延長，部件材料老化和劣化，這種熱疲勞裂紋在交變的溫度應力以及內部介質對裂紋前沿不斷的腐蝕等因素作用下，將不斷延伸、擴展，積累到一定程度就可能發生設備泄漏損壞事故。原遼寧發電廠2期工程的2臺200 MW機組向空排汽管都曾發生過這種裂紋損壞，只是由于及時發現并處理，才未釀成重大設備事故，這種裂紋一般為沿凝結水流動方向的延晶裂紋，超聲波探傷時，探頭沿管孔環向移動，缺陷的檢出率相對較高。

圖6 集汽聯箱管座部位產生裂紋示意圖

圖7 連接集汽聯箱管座發生裂紋實物圖

圖8 T型接頭部位集汽聯箱發生裂紋實物圖

處理方法如下。

a.按原設計圖紙加工新聯箱管段和新管座，按相關焊接規程和熱處理規程進行焊接修復，探傷、檢驗合格后，恢復保溫，投入使用。但由于新部件加工時間長，導致修復時間延長，所以本次處理不采用這種辦法。

b.由于縮短工期的需求，根據部件等面積補強原理，本次檢修使用了一種新的修復工藝，首先反復打磨和探傷，把聯箱內孔的裂紋徹底清除干凈，按照《火力發電廠焊接技術規程》的要求，把消除裂紋后的開孔修復成符合相關規程的坡口形狀(見圖9)，這時聯箱開孔的直徑遠大于原始的開孔(見圖10)，根據《水管鍋爐受壓元件強度計算》的內容和要求，必須進行等面積的補強才能滿足原部件的強度設計要求，根據加工成的坡口尺寸測繪加工一個較原有尺寸大的管座(見圖11)，一是滿足填滿聯箱新內孔，滿足等面積補強的要求；二是大管座上口尺寸滿足連接向空排汽管的連接要求，然后根據焊接工藝進行施焊、焊后熱處理，焊后進行硬度檢測、超聲波探傷，檢測合格后恢復保溫，投入使用，安全運行了15萬h。本工藝由于只需外委加工一個大的管座，所以修復施工所需的新部件加工的量較第1種處理辦法大大降低，部件修復的焊接量大大減少，并且節約了使用合金部件的數量，總體極大地縮短了修復時間。

圖9 清除裂紋后開孔

圖10 集汽聯箱原始開孔

圖11 修復后管座

由于系統和部件的特點，這種存在有規律發生，并且逐漸發展缺陷的部件，在機組停機檢修時，要列為必檢項目，加強日常監督，確保安全。

3 50 MW機組爐側主汽管道接點火管路母材損壞

50 MW機組的主蒸汽管道立管的點火管路三通，水平焊裝在管道的側壁。其工作原理：本機組為相鄰機組提供機組點火啟動的推動汽源，相鄰機組啟動完成后，本管路就關閉。因為隨遠離母管的管段溫度逐漸降低，使冷凝水汽經常積存在水平管段，而隨著機組啟停和參數波動，使水平管的溫度發生波動，極易使這一部位的管段產生熱疲勞裂紋。原遼電的點火管路三通Φ273×18 mm的主蒸汽管道垂直管段上Φ168×8 mm的水平導出管母材就發生過熱疲勞爆管，見圖12。管孔下部管壁就是由于這一原因而產生熱疲勞裂紋，設備檢修時，對這一部位必須進行嚴格超聲波檢測，一般機組運行約5萬h左右就能產生宏觀裂紋，對超聲波檢測發現問題的管段每次需更換長約600 mm的管段，才能確保安全，因此這種結構的部件，也要成為每次停機檢修的必檢項目。要注意的是水平接管的裂紋一般主裂紋為環向裂紋，因此超聲波探傷時探頭移動方向沿著水平管軸向移動的檢出率最高。

(a)水平導出管裂紋部位

4 結論

a.對未進行加強的T型焊接結構必須按相關規范要求加裝管座，東方公司匯流排改進結構后，到現在運行近10萬h未發生泄漏事故。

b.改變運行方式，減少機組啟停，避免熱疲勞損壞。

c.管座應采用整體鍛制成形的熱加工工藝，材料的化學成分應與所連接的主設備相當。管座根部的凹窩及主設備開孔內外壁要保證粗糙度合格，以提高耐疲勞性能。

d.焊接材料及焊接、熱處理工藝均須符合焊接規程規定。