燃氣機組旁路減溫減壓部件失效分析

鄭天艷

(浙江國華余姚燃氣發電有限責任公司，浙江 寧波 315400)

0 引言

某電廠的一套美國GE公司生產的S209FA二拖一多軸聯合循環發電機組是由兩臺PG9351FA型燃氣輪機發電機組，兩臺美國DELTAK公司生產的臥式、三壓再熱、無補燃、自然循環余熱鍋爐和一臺型號為D11的凝汽式汽輪機，組成“二拖一”聯合循環機組，機組總額定功率為787.6 MW，汽輪機額定功率為284.5 MW;機組運行方式為日開夜停，作為電網的調峰機組，每臺余熱鍋爐配備一套旁路系統。

汽輪機高、中壓旁路系統，是在正常的汽輪機管路系統的基礎上并聯一個蒸汽減溫減壓裝置組成的蒸汽旁路系統、從而可使高參數蒸汽即高溫高壓蒸汽不經過汽輪機的通流部分，而由并聯的蒸汽減溫減壓裝置進入低一級蒸汽參數的管路或凝汽器，是機組啟機時保證主蒸汽參數的主要系統，同時也有助于鍋爐建立良好的汽水循環，在事故情況下可以輔助調節汽機軸向推力。因此高、中壓旁路系統作為機組啟動、運行以及停機過程中的關鍵設備，對機組的安全運行具有非常重要的作用。

1 減溫減壓部件的失效形式

某電廠減溫減壓失效部件，主要包括減壓裝置籠罩、減溫器、過渡管母材。

(1) 減壓裝置籠罩。減壓裝置籠罩的主要失效形式為開裂、變形。高旁、中旁減壓裝置外筒的規格及材質見表1，其中D為外筒直徑，t為厚度。

表1 高旁、中旁減壓外筒規格和材質

(2) 減溫器。減溫器失效形式主要為噴嘴角焊縫開裂，裂紋主要產生于管座角焊縫主管側的熔合線處，并沿熔合線擴展沿周向分布。

(3) 旁路出口過渡管母材裂紋。旁路出口過渡管母材主要失效形式為內壁坡口變徑處產生裂紋，該位置為應力集中部位，中/高旁出口過渡段母材均為P22材質。

2 原因分析

(1) 宏觀分析。減溫器噴嘴裂紋位于管座角焊縫主管側的熔合線處，并沿熔合線擴展;減壓裝置外筒有變形和裂紋;旁路出口過渡段母材裂紋產生于內壁坡口壁厚突變處端角的應力集中部位。

(2) 微觀分析。對減溫器蒸汽出口管、噴嘴及連接角焊縫進行金相檢驗后，可知出口管P22金相組織為鐵素體+貝氏體，晶粒度級別為8～9級，組織正常;熔合良好，未發現裂紋、夾雜、氣孔等焊接缺陷，焊縫組織為回火貝氏體，組織未見異常。管P11母材金相組織為鐵素體+貝氏體，晶粒度級別為8～9級;熔合良好，未發現裂紋、夾雜、氣孔等焊接缺陷，焊縫組織為符合標準要求。

(3) 運行和結構失效分析。減壓裝置籠罩的失效為籠罩出現變形和開裂，過渡段母材失效是在內壁坡口壁厚變徑位置端角應力集中部位產生裂紋，而從高旁的運行參數發現在高旁開啟后，溫升速度較快，10 min左右溫升超過150 K。

在高溫下工作的零部件，由于受載部件會發生隨時間發生緩慢塑性變形(蠕變)效應。同時，高溫部件受恒定載荷引起的單純蠕變損傷破壞的情況很少見，往往還受到變動載荷的作用，從而產生疲勞損傷。這些蠕變損傷和疲勞損傷不是各自獨立發展，在一定條件下，兩者之間存在交互作用，使部件壽命大大降低。減壓裝置籠罩和過渡段母材長期在高溫高壓環境下工作，并承受冷熱交變應力，隨運行時間和機組啟停次數累積，材料出現老化現象，宏觀表現在材料的強度下降，甚至出現裂紋，對機組的安全運行顯然是不利的。由此可知：結構突變、殘余應力大，結構應力集中部位，承受冷熱交變應力作用，在機組頻繁啟停的運行模式下的循環應力作用下，蠕變-疲勞交互作用導致了裂紋的產生。

分析高、中壓旁路減溫器上裂紋的位置發現，裂紋均產生于噴水管的角焊縫處，沿熔合線呈周向分布。從結構上看，該處存在很大的結構突變，是應力集中最大的區域，遠離該區域，并未發現裂紋;從尺寸上看，裂紋長短不一，有的僅數毫米，有的接近角焊縫整周，說明裂紋在運行中逐步生長，同時結合減溫器運行工況即噴水管承受的溫差應力、蒸汽沖刷力作用、交變彎曲應力及可能存在的高頻振動，且減溫器噴水溫度為27 ℃，遠離材料蠕變溫度，因此綜合裂紋產生的時間、位置和生長等特性，判斷該裂紋為疲勞裂紋。

3 防范措施

為了防范部件的失效，提出以下幾點防范措施。

(1) 建議機組啟動過程中，旁路截止閥改為氣動定位器控制方式，通過控制旁路截止閥的開啟速度來降低截止閥后管道振動。

(2) 加強旁路開啟后溫升速率的控制，溫升速率根據材料特性，控制在6～10 ℃/min;針對直接產生材料溫差交變應力的主要因素如蒸汽溫度、減溫水溫度、流速流量等，建議降低減溫水頻繁動作次數，優化啟動速度和運行操作。

(3) 加強金屬部件日常監督檢查，對同類型部件要逢停必檢;啟停以及運行時觀察旁路運行情況，重點觀察旁路閥、減溫水閥內漏情況并分析;利用機組檢修或臨修機會對減溫器噴嘴及出口管道附近焊口這種重點部位進行無損探傷檢測。

(4) 對旁路改造進行可行性研究?？紤]減少旁路閥內漏的設計變更，徹底解決頻繁啟停模式下旁路閥容易發生內漏帶來的部件的失效隱患。