220 t/h循環(huán)流化床鍋爐蒸汽大閥泄漏原因分析

王道銀

(云南云天化股份有限公司，昆明 650300)

云南云天化石化有限公司成立于2012年，公司主要以中石油云南石化有限公司的煉油副產(chǎn)品為原料生產(chǎn)聚丙烯、工業(yè)異辛烷等產(chǎn)品。公司建有3臺220 t/h循環(huán)流化床鍋爐，負(fù)責(zé)為中石油云南石化有限公司1 300萬t/a煉油裝置提供蒸汽產(chǎn)品。3臺鍋爐于2016年10月相繼投入運(yùn)行，2017年11月12日鍋爐蒸汽母管至1#汽輪機(jī)透平入口的主蒸汽管道第一截斷閥突然泄漏，1#汽輪發(fā)電機(jī)組緊急停車。

1 蒸汽系統(tǒng)概況

3臺循環(huán)流化床鍋爐采用母管制結(jié)構(gòu)為外界生產(chǎn)裝置供汽，正常生產(chǎn)時為2開1備。鍋爐額定出力為220 t/h，操作壓力為9.8 MPa，操作溫度為540 ℃。為了充分利用蒸汽效能，系統(tǒng)還同時配置了2臺25 MW的抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，利用汽輪發(fā)電機(jī)組透平的中壓抽汽和低壓抽汽為外界生產(chǎn)裝置提供中壓和低壓蒸汽。蒸汽系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 蒸汽系統(tǒng)簡圖

從蒸汽母管來的高溫高壓蒸汽通過支管進(jìn)入汽輪機(jī)透平入口，管道規(guī)格為DN275，管道上設(shè)置了2個截斷閥，閥門規(guī)格為DN275,型號為P54140V。

2 閥門泄漏過程

2017年11月12日11：20：00，在正常生產(chǎn)運(yùn)行中，現(xiàn)場巡檢人員發(fā)現(xiàn)1#汽輪機(jī)透平入口蒸汽管道上第一截斷閥外保溫處有水滴，同時伴隨刺耳的氣流聲，感覺到有股熱蒸汽流噴出，判斷閥門位置發(fā)生了蒸汽泄漏。高溫高壓蒸汽一旦泄漏，擴(kuò)展很快；蒸汽大量泄漏時，會嚴(yán)重破壞周邊生產(chǎn)設(shè)施并危及生產(chǎn)操作人員的人身安全。如果發(fā)生蒸汽爆裂，會造成重大設(shè)備事故和人員傷亡。當(dāng)班操作人員立即采取果斷的處置措施，將1#汽輪發(fā)電機(jī)組緊急停車，并立即切斷母管上的隔離閥，蒸汽管道安全停車泄壓，降溫降壓后交付維修單位進(jìn)行檢修。

3 泄漏點(diǎn)檢查

管道停車后，對泄漏閥門外側(cè)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)位于閥門端部與管道焊縫靠近閥門側(cè)的熱熔合線處。該處材料發(fā)生開裂，裂紋長約300 mm，占整圈焊縫長度的三分之一(見圖2)。

圖2 泄漏點(diǎn)外側(cè)

切開管道后，對閥門內(nèi)側(cè)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)裂紋并不在焊縫上，而是位于閥門側(cè)的接管母材處。接管斜面坡度處有多條加工凹痕，裂紋位于凹痕處(見圖3)。

圖3 泄漏點(diǎn)內(nèi)側(cè)

裂紋斷口形貌見圖4、圖5。通過裂紋斷口表面宏觀觀察可知，斷口面比較粗糙，呈脆性斷裂特征。

圖4 裂紋斷口1

圖5 裂紋斷口2

4 原因分析

4.1 泄漏位置所在材料段

泄漏位置處有3個不同的材料段，分別是管道母材、焊縫和閥門母材，這3個材料段的材質(zhì)都有存在質(zhì)量問題的可能性。

4.1.1 管道母材

通過查閱管道母材的質(zhì)量證明文件、施工文件，以及現(xiàn)場的化學(xué)成分、金相和硬度復(fù)驗等資料和數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)管道母材材質(zhì)有質(zhì)量問題。

4.1.2 閥門與管道的連接焊縫

通過查閱該條焊縫的焊接、熱處理等安裝施工質(zhì)量文件，以及探傷檢驗、現(xiàn)場焊縫化學(xué)成分、金相和硬度復(fù)驗數(shù)據(jù)，也未發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)量存在問題。

4.1.3 閥門母材

從泄漏點(diǎn)外側(cè)看，裂紋位于焊縫與閥門母材的熱熔合線上，并沒有在焊縫上;從泄漏點(diǎn)內(nèi)側(cè)看，內(nèi)部裂紋遠(yuǎn)離焊縫根部，也沒有在焊縫上，而是位于閥門母材上。裂紋方向有多條金屬加工留下的凹痕(見圖3)，部分裂紋段還位于母材內(nèi)表面的斜坡面根部。通過斷口宏觀檢查，裂紋呈由內(nèi)向外撕裂狀，說明裂紋起源于閥門端的內(nèi)側(cè)母材上，由此可以判斷閥門母材可能存在一定的質(zhì)量問題。

4.2 閥門材質(zhì)分析

在閥門本體上取樣，對試樣進(jìn)行力學(xué)性能、延伸率、20 ℃沖擊功、化學(xué)成分及金相組織分析。

4.2.1 化學(xué)成分分析

閥門材質(zhì)應(yīng)符合JB/T 9625—1999 《鍋爐管道附件承壓鑄鋼件 技術(shù)條件》的要求。該閥門材質(zhì)牌號為ZG15Cr1Mo1V，其化學(xué)成分復(fù)驗和標(biāo)準(zhǔn)值的對比情況見表1。從表1可以看出，該閥門材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求[1]。

表1 閥門材質(zhì)化學(xué)成分對比 %

4.2.2 力學(xué)性能及沖擊功分析

閥門母材力學(xué)性能數(shù)據(jù)對比見表2。由表2可以看出:試樣無明顯的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)下限值，延伸率和20 ℃沖擊功遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 閥門母材力學(xué)性能數(shù)據(jù)對比

4.2.3 金相組織分析

閉門母材材料金相組織見圖6、圖7。由圖6、圖7可以看出：閥門斷口處材料金相組織為粒狀貝氏體和鐵素體，鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%。

圖6 材料金相組織(放大200倍)

圖7 材料金相組織(放大750倍)

4.3 分析與討論

從閥門母材化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)分析來看，閥門的材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

閥門母材試樣無明顯的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)下限值，說明材料強(qiáng)度高、塑性和韌性差。試樣的延伸率僅為6%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，也說明了材料的塑性和韌性差。

閥門母材試樣的20 ℃沖擊功平均吸收能量僅為3.5 J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)一步說明材料的塑性和韌性差。

綜合上述分析數(shù)據(jù)，均表明材料的強(qiáng)度過高、塑性和韌性差，在使用過程中該材料容易發(fā)生脆斷。從斷口宏觀檢查看，斷口表面粗糙，呈明顯的脆性斷裂特征。

閥門焊接端內(nèi)表面進(jìn)行了金加工，但加工后的表面粗糙度較高，并且留下了較多的加工凹痕和溝槽，最深的凹痕深度約0.5 mm。加工凹痕溝槽特別是位于內(nèi)表面的斜面棱角處，是加工應(yīng)力集中點(diǎn)，更容易產(chǎn)生脆性開裂。

在金屬材料的金相組織中，鐵素體的強(qiáng)度較低，但塑性和韌性較好；貝氏體的強(qiáng)度較高，但塑性和韌性較差。試樣的金相組織分析中，鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足5%，絕大部分是貝氏體，說明材料的整體強(qiáng)度高、塑性和韌性低，這也與閥門母材力學(xué)性能的分析結(jié)果一致[2]。材料金相組織貝氏體含量過高一般與材料在熱處理過程中的溫度、時間、冷卻速度等因素有關(guān)。在熱處理過程中閥門原材料相關(guān)參數(shù)控制不好，會造成材料金相組織成分分布不均衡，對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響[3]。

5 改進(jìn)措施

在采購新閥門過程中，重新提出技術(shù)指標(biāo)要求，重點(diǎn)對閥門原材料的組分、金相組織成分、力學(xué)性能指標(biāo)等進(jìn)行過程控制，特別對閥門原材料供貨廠家的熱處理過程進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，確保材料合格。

此外還對閥門端部焊接口的內(nèi)部加工精度提出了新的要求，包括不得出現(xiàn)明顯的凹痕和溝槽，不同壁厚之間的斜面加工要求圓滑過渡，不得出現(xiàn)明顯的棱尖角等，以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象[4]。

新閥門于2017年12月投用后，截至目前已使用了近3 a，未出現(xiàn)任何問題。

6 結(jié)語

高溫高壓閥門是鍋爐裝置中的重要設(shè)備，一旦發(fā)生泄漏或開裂，極大地影響生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時會造成重大設(shè)備事故、人員傷亡和財產(chǎn)損失。閥門的質(zhì)量控制應(yīng)從原材料供貨開始，包括閥門鑄件廠家的材料來源、熱處理過程、試樣分析檢驗，另外閥門制造廠的加工過程也應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的過程監(jiān)控。把問題發(fā)現(xiàn)和處理在過程中，不讓問題產(chǎn)品應(yīng)用于生產(chǎn)裝置上，才能確保生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。