鍋爐主蒸汽管道裂紋產(chǎn)生原因及預(yù)防

文/亓海峰

大型發(fā)電廠鍋爐主蒸汽管道長(zhǎng)期在高溫、高壓狀態(tài)下運(yùn)行，其安全與否對(duì)電廠鍋爐的正常運(yùn)行十分重要，其中主蒸汽管道產(chǎn)生裂紋直接威脅著鍋爐機(jī)組的安全運(yùn)行。

某發(fā)電廠2號(hào)鍋爐為亞臨界參數(shù)控制循環(huán)單汽包固態(tài)水力排渣煤粉爐。鍋爐形式為SG—1025/17.44—M 844，該爐已累計(jì)運(yùn)行13.7萬(wàn)小時(shí)，其過(guò)熱器出口壓力為17.44 MPa，溫度為541℃，主蒸汽管道材質(zhì)為12Cr1MoV，規(guī)格為Φ610×95 mm，在對(duì)此鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)主蒸汽管道大包上部出來(lái)第1個(gè)彎頭上環(huán)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)抽查時(shí)，發(fā)現(xiàn)在以正上方為零點(diǎn)（沿介質(zhì)流向右視）順時(shí)針4點(diǎn)至6點(diǎn)鐘方向，發(fā)現(xiàn)1條斷續(xù)縱向裂紋磁痕缺陷顯示，長(zhǎng)度約180 mm，沿著熔合線分布，后經(jīng)打磨消除，打磨最深處為15 mm。

結(jié)合檢驗(yàn)前查詢(xún)的機(jī)修資料及運(yùn)行記錄，該鍋爐在運(yùn)行期間經(jīng)歷多次啟停，在上次B修時(shí)（A是大修，B是一般性大修，C是一般性小修），曾出現(xiàn)過(guò)表面裂紋，本文根據(jù)主蒸汽管道裂紋的位置、形態(tài)分布等，通過(guò)多種方法對(duì)此管道進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

檢驗(yàn)過(guò)程分析

此鍋爐的主蒸汽管道布置是由末級(jí)過(guò)熱器出口集箱，爐頂大包引出后，經(jīng)過(guò)第1個(gè)彎頭到達(dá)大包頂部平臺(tái)，此缺陷正是出現(xiàn)在第1個(gè)彎頭焊縫處，該彎頭承受較大的拉應(yīng)力和疲勞應(yīng)力效應(yīng)。

一是對(duì)該鍋爐主蒸汽管道彎頭及相鄰直管段進(jìn)行壁厚測(cè)定，對(duì)上環(huán)焊縫周圈的爐上、爐下、爐前、爐后均勻測(cè)定，距離焊縫50 mm處實(shí)測(cè)壁厚分別為：90.10 mm、89.38 mm、89.27 mm、88.03 mm。實(shí)測(cè)最小壁厚88.03 mm，所測(cè)各點(diǎn)壁厚均大于最小需要壁厚（83.50 mm），可知壁厚測(cè)定及宏觀檢查未見(jiàn)異常。

二是根據(jù)TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》J3.10 第（5）款的規(guī)定，對(duì)鍋爐范圍內(nèi)管道和主要連接管道進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)和超聲檢測(cè)抽查，對(duì)主蒸汽管道大包上部出來(lái)第1個(gè)彎頭，除裂紋缺陷處之外，在上環(huán)焊縫和下環(huán)焊縫分別進(jìn)行了磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)，彎頭部位也進(jìn)行了磁粉檢測(cè)，均未見(jiàn)異常。

三是金相組織檢驗(yàn)和硬度檢測(cè)。根據(jù)TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》J3.10 第（6）款和J3.15.7 第（1）、（3）款的規(guī)定，對(duì)鍋爐范圍內(nèi)管道和主要連接管道，工作溫度大于或等于450 ℃的主蒸汽管道中的焊接接頭和彎頭進(jìn)行硬度和金相檢測(cè)抽查。金屬材料的性能與其化學(xué)成分、組織狀態(tài)有著密切關(guān)系。金相組織檢驗(yàn)是檢測(cè)金屬材料性能的重要手段之一，材料的化學(xué)成分確定后，其性能就取決于材料的組織狀態(tài)。金相組織檢驗(yàn)包括宏觀檢驗(yàn)和金相顯微組織檢驗(yàn)。宏觀檢驗(yàn)就是用肉眼或借助低倍放大鏡直接進(jìn)行觀察，可以檢查金屬宏觀組織和缺陷。此次檢測(cè)主要用金相顯微鏡進(jìn)行檢驗(yàn)，提前用角磨機(jī)和研磨膏打磨好焊縫表面，借助顯微鏡來(lái)觀察焊接接頭各區(qū)域的顯微組織、偏析、缺陷，以及析出相的種類(lèi)、性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量等，以此來(lái)檢驗(yàn)焊接接頭的組織和缺陷。通過(guò)對(duì)焊接接頭金相組織的檢測(cè)分析，可以了解焊縫金屬中晶粒度及組織狀況，組織老化程度等。

在主蒸汽管道裂紋缺陷位置附近進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在400倍金相顯微鏡下根據(jù)GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》評(píng)定，金相結(jié)果顯示裂紋周?chē)Ｎ恢媒鹣嘟M織為回火貝氏體，金相組織未見(jiàn)異常情況，組織評(píng)定為2.5級(jí)，符合DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗(yàn)與技術(shù)評(píng)定導(dǎo)則》、DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》。

四是里式硬度檢測(cè)均測(cè)量五次取平均值，如表1所示，焊縫部位為182 HBW，直管側(cè)熱影響區(qū)為175 HBW，直管母材為168 HBW，硬度檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)，鋼管母材硬度為135～195 HBW；焊縫硬度不應(yīng)低于母材硬度的90 %，不超過(guò)母材布氏硬度加100 HBW，且不超過(guò)270 HBW。根據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》、DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》、GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》等評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 里式硬度檢測(cè)結(jié)果

五是光譜分析。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)成分分析，主蒸汽管道的分析結(jié)果表明該處管材及環(huán)縫化學(xué)成分符合DL/T 991—2006《電力設(shè)備金屬光譜分析技術(shù)導(dǎo)則》和DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》 關(guān)于12Cr1MoV合金鋼管各元素含量范圍的規(guī)定。

產(chǎn)生原因分析

首先，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，主蒸汽管道材質(zhì)及焊縫化學(xué)成分滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，排除用錯(cuò)材料的情況。金相分析結(jié)果顯示，材料組織結(jié)構(gòu)完好，未產(chǎn)生明顯球化、老化等現(xiàn)象，母材、焊縫硬度值在正常范圍之內(nèi)。此彎頭處于大包出來(lái)后的第1個(gè)彎頭，在啟停過(guò)程和運(yùn)行過(guò)程中由于熱脹冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力等原因，多次啟停，在鍋爐機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，主蒸汽管系從常溫達(dá)到工作溫度過(guò)程中，整個(gè)管線系統(tǒng)存在熱膨脹，造成彎頭及彎管部位內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力，在鍋爐機(jī)組停機(jī)時(shí)，冷縮等變形同樣產(chǎn)生應(yīng)力，是造成裂紋的主要原因。對(duì)于此主蒸汽管道管線向后數(shù)第2個(gè)45°彎頭來(lái)說(shuō)，未發(fā)生缺陷的情況，從而表明管道受力情況、布置結(jié)構(gòu)、運(yùn)行情況等降低了應(yīng)力集中情況的發(fā)生。

其次，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查詢(xún)資料發(fā)現(xiàn)，在上次檢修期間，在此部位出現(xiàn)長(zhǎng)8 mm、深3 mm縱向表面裂紋，經(jīng)打磨后消除，在打磨挖補(bǔ)位置，焊補(bǔ)后未進(jìn)行焊后熱處理，也是造成此次缺陷的一個(gè)因素。應(yīng)該在此缺陷處打磨圓環(huán)過(guò)渡并進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)合格后處理好，管道在高溫高壓作用下彎頭處造成的應(yīng)力集中，管道、管件、保溫材料及外壓力在啟停過(guò)程中沿管壁厚度方向遞減溫度梯度，引起管頭處應(yīng)力不均勻也在一定程度上促進(jìn)了裂紋的產(chǎn)生。部件長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高壓狀態(tài)下運(yùn)行，使材料的抗疲勞能力下降，易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，從而易產(chǎn)生疲勞裂紋。

最后，如果焊縫內(nèi)存在一定數(shù)量的疏松空洞，容易產(chǎn)生金屬整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)，降低金屬的承載截面積，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)造成較大危害，這些因素也會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生。如果焊接接頭兩側(cè)母材的厚度偏差較大，焊縫表面與母材之間會(huì)形成一定角度的夾角，從而也造成結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，應(yīng)力集中產(chǎn)生。熔合線處恰恰就成為焊接接頭的薄弱地帶。該機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)13萬(wàn)小時(shí)，期間啟停數(shù)次，熱脹冷縮等變形受約束而產(chǎn)生二次應(yīng)力，也是造成疲勞裂紋的因素之一。

預(yù)防措施

為了預(yù)防事故發(fā)生，減少裂紋對(duì)主蒸汽管道的安全運(yùn)行的影響，應(yīng)在裂紋打磨消除后制定合理的返修措施，在修復(fù)好缺陷的基礎(chǔ)上做好日常管理和維護(hù)，合理調(diào)度減少啟停頻次，在條件允許的情況下加強(qiáng)補(bǔ)償，減少缺陷處應(yīng)力集中情況的產(chǎn)生，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供保障。加強(qiáng)此部位的監(jiān)督檢查力度和定期維護(hù)保養(yǎng)，防患于未然。尤其是在每次的A修或B修過(guò)程中重點(diǎn)檢查此部位，是否已經(jīng)產(chǎn)生疲勞或者磨損減薄等問(wèn)題，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即處理。

焊縫上存在缺陷是產(chǎn)生裂紋的根源。該蒸汽管道已累計(jì)運(yùn)行超過(guò)13萬(wàn)小時(shí)，金屬部件在高溫條件下運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，使材料抗疲勞能力下降，是產(chǎn)生裂紋的主要原因。合理規(guī)劃管線走向和焊接結(jié)構(gòu)，在條件允許的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮管線雙側(cè)布置，這樣可以在一定程度上減小應(yīng)力產(chǎn)生，有助于降低疲勞裂紋擴(kuò)展的概率。

在處理缺陷時(shí)，若是輕微缺陷，應(yīng)在打磨處理完后圓滑過(guò)渡，釋放應(yīng)力。并制定修補(bǔ)方案和檢測(cè)工藝，嚴(yán)格進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，滿(mǎn)足要求后使用。嚴(yán)重的缺陷需要挖補(bǔ)并按照工藝焊補(bǔ)后熱處理，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程要求對(duì)溫度和時(shí)間進(jìn)行掌控好。