某電廠高壓調汽門EH油管斷裂原因

劉文生

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司中南電力試驗研究院, 鄭州 450000)

EH油管(抗燃油管)由于規格小且屬于爐外管道(火電廠熱力系統內位于鍋爐和汽輪機本體外部的最高工作壓力大于0.1 MPa的輸送液體的管道)，在設計、制造、安裝、運行、檢驗、管理等環節往往容易被忽視，因而其發生開裂泄漏甚至開裂后造成機組非計劃停機的事故時有發生[1-3]。

某電廠3號機組4號高壓調汽門(以下簡稱高調門)EH油管發生斷裂并造成機組非計劃停機，發生斷裂前累計服役3萬h，該油管正常工作壽命為10萬h，屬早期斷裂。該電廠汽輪機組為國產的N670-24.2/566/566型670 MW汽輪超臨界機組，汽輪機為一次中間再熱、單軸三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。斷裂EH油管位于三通與支管焊縫根部附近，支管材料為0Cr18Ni9不銹鋼，規格為φ16 mm×2 mm，EH油管母管及三通材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，母管規格為φ25 mm×2.5 mm，三通與支管以角焊縫形式通過手工氬弧焊焊接方法焊接成形。為找到該EH油管的斷裂原因，筆者從設計、安裝、運行等方面進行分析，并提出了改進措施，以期為解決同類失效問題提供參考。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂EH油管宏觀形貌如圖1所示，可知三通與支管的焊縫為角焊縫，斷口位于角焊縫根部附近；三通的厚度明顯大于支管的，且三通向支管過渡未采用圓滑過渡，工藝設計上存在缺陷，導致斷口附近成為應力集中區域。

圖1 斷裂EH油管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured EH oil pipe

對支管斷口進行宏觀觀察，可見斷口存在2個裂紋源、2個終斷區，呈對稱分布；斷口貝紋線不明顯，斷口平齊，呈脆性斷裂特征，見圖2a)。同時，斷口附近存在明顯打磨痕跡，打磨后沿管子周向產生微小的線性缺陷，線性缺陷擴展成為微裂紋，見圖2b)。判斷線性缺陷應為焊接前打磨產生。

圖2 斷裂EH油管支管斷口及斷口側面微裂紋形貌Fig.2 Morphology of fracture and micro cracks on the side of fractured EH oil pipe branch pipe:a) fracture; b) micro cracks on the side of fracture

1.2 金相檢驗

圖3為斷裂EH油管支管的顯微組織形貌。由圖3a)可知,裂紋源區附近外表面存在微裂紋，與宏觀觀察結果一致；由圖3b)可知,斷口處內外壁顯微組織不均勻；圖3c)為EH油管支管遠離斷口處外壁的顯微組織形貌，可見組織為奧氏體，為典型的等軸晶組織，組織正常；圖3d)為EH油管支管遠離斷口處內壁的顯微組織形貌，可見組織為奧氏體，呈帶狀分布，判斷EH油管支管內外壁顯微組織差異較大可能與其生產制造過程中固溶處理不完全有關。

圖3e)，f)為斷口及其附近的顯微組織形貌，可見斷口邊緣及附近顯微組織為奧氏體+形變馬氏體組織，而圖3c)，d)中遠離斷口的顯微組織中未見形變馬氏體組織，即形變馬氏體非制造過程中產生，應為運行過程產生的[4]。斷口附近未見分支裂紋及沿晶裂紋，可排除應力腐蝕及晶間腐蝕的可能性。

圖3 斷裂EH油管支管不同位置處的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of fractured EH oil pipe branch pipe at different positions:a) morphology of micro cracks on the outer wall near crack source region；b) microstructure morphology of fracture； c) microstructuremorphology of outer wall far away from fracture; d) microstructure morphology of inner wall far away from fracture；e) microstructure morphology of inner wall of fracture； f) microstructure morphology of inner wall near fracture

1.3 顯微硬度測試

對斷口邊緣、斷口附近及遠離斷口母材區域進行顯微硬度測試，測試順序為從斷口邊緣開始逐漸向遠離斷口方向，每兩個硬度點間隔0.2 mm，直到硬度變化較小為止，遠離斷口部位分別測量外壁側與內壁側顯微硬度。硬度測試結果見表1。

由表1可知,從斷口邊緣到遠離斷口處，外壁側的硬度逐漸降低，且斷口邊緣硬度明顯高于其他部位。因為斷口邊緣顯微組織為形變馬氏體組織，遠離斷口處為奧氏體組織，而馬氏體的硬度遠高于奧氏體的。遠離斷口處外壁側的硬度明顯低于內壁側的，這與內壁側固溶不完全引起帶狀組織有關。

表1 斷裂EH油管支管的顯微硬度Tab.1 Microhardness of fractured EH oil pipe branch pipe HV1

2 運行情況分析

查閱3號機組EH油管斷裂前歷史數據發現,運行中與EH油管相對應的4號高調門存在間斷的伺服閥線圈電壓波動、指令與反饋偏差大、閥門開度波動等情況，4號高調門VP(閥位)卡故障、接線松動、外界信號干擾等因素均可能引起4號高調門VP卡輸出波動，進而引起4號高調門波動。

EH油管發生斷裂后，對斷裂處進行緊急搶修工作，重新焊接后機組并網發電，因VP卡在線更換和檢測對機組的運行產生較大的風險，現場采取了臨時措施，將閥序由原來的4/3-2-1更改為1/2-3-4，為了防止4號高調門波動，強制關閉4號高調門，機組負荷暫時由GV1(1號高壓調汽門)、GV2和GV3進行調節。在機組繼續運行1 360 h后，機組計劃停機，停機后檢查發現,4號高調門VP卡接線端子松動，現場對VP卡進行更換處理。

3 原因分析

以上檢驗結果表明，斷口位于EH油管三通與支管連接角焊縫附近，同時三通與支管角焊縫部位未采用圓滑過渡，設計上存在缺陷，導致三通與支管連接部位成為應力集中區域；斷口處存在2個裂紋源區與2個終斷區，斷口平齊，呈脆性斷裂特征；斷口附近存在沿管子周向的打磨線性缺陷，線性缺陷擴展成為微裂紋。

EH油管支管遠離斷口外壁側顯微組織為典型的等軸晶奧氏體組織，顯微組織正常，且硬度正常，遠離斷口處內壁側顯微組織呈明顯的帶狀分布，且其硬度明顯高于外壁側的。EH油管支管內外壁顯微組織差異較大與其生產制造過程中固溶處理不完全有關，管子加工成形后一般通過固溶處理改善其組織狀態，若加熱過程中保溫時間較短，會導致內壁合金元素來不及充分擴散而使得部分組織保留下來；斷口邊緣及附近為典型形變馬氏體組織，形變馬氏體產生應與該區域存在應力集中且在機組運行過程中承受交變應力有關，形變馬氏體組織硬度高于奧氏體的，從而導致了斷口附近硬度增大、脆性增大。

奧氏體不銹鋼基體組織中存在滑移帶和孿晶，塑性變形過程中，奧氏體組織內滑移帶、孿晶密度不斷增加，滑移線相互交錯排布，隨著塑性變形進一步增加，滑移帶相互交割，奧氏體組織逐漸向馬氏體組織轉變，該轉變為晶格切變且為非擴散型的轉變。塑性變形過程中，材料內部的位錯增加，導致硬度隨應變增加而呈線性增大[5-8]。

4號高調門VP卡接線端子松動，引起4號高調門VP卡輸出波動，造成了4號高調門的波動，而高調門的波動導致了EH油管發生振動，在EH油管三通與支管連接角焊縫的應力集中區域形成較大的交變應力，不斷循環的交變應力使得該部位顯微組織發生形變，形成形變馬氏體，形變馬氏體硬度高、脆性大，隨著工作時的不斷振動，形變馬氏體數量增加，從而導致該部位的硬度、脆性增大，同時三通設計上的缺陷及打磨線性缺陷的存在，最終EH油管支管發生脆性斷裂。

4 結論及建議

綜合以上情況，3號機組4號高調門EH油管發生斷裂的主要原因為4號高調門VP卡接線端子松動引起高調門波動，造成了EH油管支管振動；在三通與支管連接角焊縫的應力集中區域形成較大的交變應力，使得該部位組織發生形變，形成形變馬氏體，形變馬氏體的硬度高，脆性大，從而導致該部位硬度升高、脆性增大；同時三通設計上存在缺陷及打磨線性缺陷的存在，最終EH油管支管發生了脆性斷裂。

建議更換EH油管同類型三通；EH油管焊接前需打磨時優先采用百葉輪打磨；加強運行管理，如有振動情況應及時查明原因并采取措施。