220 t/h循環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品為原料生產聚丙烯、工業異辛烷等產品。公司建有3臺220 t/h循環流化床鍋爐，負責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品。3臺鍋爐于2016年10月相繼投入運行，2017年11月12日鍋爐蒸汽母管至1#汽輪機透平入口的主蒸汽管道第一截斷閥突然泄漏，1#汽輪發電機組緊急停車。

1 蒸汽系統概況

3臺循環流化床鍋爐采用母管制結構為外界生產裝置供汽，正常生產時為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，系統還同時配置了2臺25 MW的抽汽凝汽式汽輪發電機組，利用汽輪發電機組透平的中壓抽汽和低壓抽汽為外界生產裝置提供中壓和低壓蒸汽。蒸汽系統圖見圖1。

圖1 蒸汽系統簡圖

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

2 閥門泄漏過程

2017年11月12日11：20：00，在正常生產運行中，現場巡檢人員發現1#汽輪機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，判斷閥門位置發生了蒸汽泄漏。高溫高壓蒸汽一旦泄漏，擴展很快；蒸汽大量泄漏時，會嚴重破壞周邊生產設施并危及生產操作人員的人身安全。如果發生蒸汽爆裂，會造成重大設備事故和人員傷亡。當班操作人員立即采取果斷的處置措施，將1#汽輪發電機組緊急停車，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行檢修。

3 泄漏點檢查

管道停車后，對泄漏閥門外側進行檢查，發現泄漏點位于閥門端部與管道焊縫靠近閥門側的熱熔合線處。該處材料發生開裂，裂紋長約300 mm，占整圈焊縫長度的三分之一(見圖2)。

圖2 泄漏點外側

切開管道后，對閥門內側進行檢查，發現內側裂紋并不在焊縫上，而是位于閥門側的接管母材處。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 泄漏點內側

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個材料段的材質都有存在質量問題的可能性。

4.1.1 管道母材

通過查閱管道母材的質量證明文件、施工文件，以及現場的化學成分、金相和硬度復驗等資料和數據，未發現管道母材材質有質量問題。

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量文件，以及探傷檢驗、現場焊縫化學成分、金相和硬度復驗數據，也未發現焊縫質量存在問題。

4.1.3 閥門母材

從泄漏點外側看，裂紋位于焊縫與閥門母材的熱熔合線上，并沒有在焊縫上;從泄漏點內側看，內部裂紋遠離焊縫根部，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表面的斜坡面根部。通過斷口宏觀檢查，裂紋呈由內向外撕裂狀，說明裂紋起源于閥門端的內側母材上，由此可以判斷閥門母材可能存在一定的質量問題。

4.2 閥門材質分析

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

4.2.1 化學成分分析

閥門材質應符合JB/T 9625—1999 《鍋爐管道附件承壓鑄鋼件 技術條件》的要求。該閥門材質牌號為ZG15Cr1Mo1V，其化學成分復驗和標準值的對比情況見表1。從表1可以看出，該閥門材質符合標準規范要求[1]。

表1 閥門材質化學成分對比 %

4.2.2 力學性能及沖擊功分析

閥門母材力學性能數據對比見表2。由表2可以看出:試樣無明顯的屈服強度，抗拉強度遠遠高于標準下限值，延伸率和20 ℃沖擊功遠低于標準值。

表2 閥門母材力學性能數據對比

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，鐵素體質量分數小于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

從閥門母材化學成分數據分析來看，閥門的材質符合標準規范要求。

閥門母材試樣無明顯的屈服強度，抗拉強度遠高于標準下限值，說明材料強度高、塑性和韌性差。試樣的延伸率僅為6%，遠低于標準值，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，遠低于標準值，進一步說明材料的塑性和韌性差。

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

閥門焊接端內表面進行了金加工，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表面的斜面棱角處，是加工應力集中點，更容易產生脆性開裂。

在金屬材料的金相組織中，鐵素體的強度較低，但塑性和韌性較好；貝氏體的強度較高，但塑性和韌性較差。試樣的金相組織分析中，鐵素體的質量分數不足5%，絕大部分是貝氏體，說明材料的整體強度高、塑性和韌性低，這也與閥門母材力學性能的分析結果一致[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。在熱處理過程中閥門原材料相關參數控制不好，會造成材料金相組織成分分布不均衡，對材料的力學性能產生很大影響[3]。

5 改進措施

在采購新閥門過程中，重新提出技術指標要求，重點對閥門原材料的組分、金相組織成分、力學性能指標等進行過程控制，特別對閥門原材料供貨廠家的熱處理過程進行重點監控，確保材料合格。

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

新閥門于2017年12月投用后，截至目前已使用了近3 a，未出現任何問題。

6 結語

高溫高壓閥門是鍋爐裝置中的重要設備，一旦發生泄漏或開裂，極大地影響生產裝置的安全運行，嚴重時會造成重大設備事故、人員傷亡和財產損失。閥門的質量控制應從原材料供貨開始，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進行嚴格的過程監控。把問題發現和處理在過程中，不讓問題產品應用于生產裝置上，才能確保生產裝置的安全穩定運行。