蒸汽管道彎頭裂紋產(chǎn)生原因分析及處理

黃強(qiáng)

深圳市質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測研究院 廣東深圳 518000

1 序言

某電廠安裝有兩套S109E燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，配置為1臺燃?xì)廨啓C(jī)＋1臺汽輪機(jī)＋2臺發(fā)電機(jī)+1臺余熱鍋爐，采取兩班制運(yùn)行方式，屬于日啟停調(diào)峰機(jī)組。其余熱鍋爐由杭州鍋爐廠生產(chǎn)，為Q1153/526-174（33.9）-5.8（0.62）/500（254.8）型，無補(bǔ)燃、雙壓、立式、強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐，露天布置。余熱鍋爐高壓過熱器出口的主蒸汽管道材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為φ325mm×20mm，正常工作壓力為5.6MPa，工作溫度為545℃。在一次余熱鍋爐大修中，發(fā)現(xiàn)高壓過熱器出口的主蒸汽管道第一個彎頭背弧面存在龜裂紋。因電廠無備件，為保證機(jī)組能按時投入運(yùn)行，對該彎頭進(jìn)行了安全性評價，并通過現(xiàn)場打磨補(bǔ)焊的方法，實(shí)現(xiàn)了主蒸汽管道彎頭的現(xiàn)場修復(fù)，同時對產(chǎn)生龜裂紋的原因進(jìn)行了分析。

2 主蒸汽管道彎頭檢測

在余熱鍋爐大修中，對主蒸汽管道進(jìn)行檢測時發(fā)現(xiàn)，高壓過熱器出口的主蒸汽管道第一個彎頭背弧面約φ20mm區(qū)域存在龜裂紋（見圖1）。

圖1 發(fā)生龜裂紋的高壓過熱器出口第一個彎頭

由于電廠庫房無備用彎頭、檢修工期緊張且彎頭訂貨時間較長，因此短期內(nèi)無法完成新彎頭的更換工作，故需對此彎頭進(jìn)行安全性評價，以確定通過修補(bǔ)后是否能繼續(xù)使用。

（1）材質(zhì)復(fù)核 該彎頭經(jīng)檢測，其化學(xué)成分（見表1）符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[1]中對12Cr1MoVG鋼的技術(shù)要求。

表1 12Cr1MoVG鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

（2）金相組織分析 在該彎頭背弧面選取約φ10mm區(qū)域，用電動角向磨光機(jī)徹底去除該區(qū)域的氧化皮、銹、垢、脫碳層等，按DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》[2]中規(guī)定的“微觀金相檢驗(yàn)”的方法對該區(qū)域進(jìn)行金相組織檢測，在金相顯微鏡下觀察到的彎頭金相組織如圖2所示。由圖2可看到，該區(qū)域金相組織為鐵素體＋珠光體，珠光體區(qū)域碳化物已開始分散，但仍保持原有的區(qū)域形態(tài)，根據(jù)DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)》[3]，球化級別評定為2級（輕度球化），球化程度在使用允許范圍內(nèi)。

圖2 彎頭金相組織

（3）其他區(qū)域無損檢測 將該彎頭外表面及兩邊焊縫的氧化層、銹、垢、脫碳層全部打磨去除，用磁粉和超聲波檢測方法對彎頭全面進(jìn)行檢測，未再發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔及咬邊等其他缺陷。

（4）測厚 用超聲波測厚儀對該彎頭4個面選取多個點(diǎn)進(jìn)行測厚，壁厚均大于最小要求壁厚，且均未有明顯減薄。

3 主蒸汽管道彎頭龜裂紋產(chǎn)生原因分析

在前兩次余熱鍋爐大修過程中，無損檢測均未發(fā)現(xiàn)該處龜裂紋缺陷，因此可先排除彎頭安裝時就存在該缺陷的可能。該機(jī)組為日啟停機(jī)組，啟停機(jī)較頻繁，而高壓過熱器出口的主蒸汽管道彎頭壁厚較厚（厚度為20mm），在余熱鍋爐啟爐升溫過程中，由于蒸汽流動直接加熱彎頭內(nèi)壁表面，所以彎頭內(nèi)壁比外壁升溫較快，最終因彎頭內(nèi)壁與外壁溫差造成彎頭內(nèi)外壁膨脹不一致而產(chǎn)生熱應(yīng)力。該余熱鍋爐為露天布置，彎頭保溫護(hù)板采用襯條鋁皮一頁頁搭接而成，如圖3所示。在余熱鍋爐正常運(yùn)行中，彎頭壁溫可達(dá)到540℃左右。當(dāng)遇到暴雨天氣時，雨水極易依次通過兩頁襯條鋁皮之間的間隙、保溫棉的間隙滲到彎頭外壁，雨水的溫度一般為5～25℃，彎頭壁溫與雨水溫度相差很大，因此產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，彎頭外壁經(jīng)常受熱應(yīng)力作用，從而造成龜裂紋的產(chǎn)生。

圖3 彎頭保溫護(hù)板結(jié)構(gòu)

4 主蒸汽管道彎頭龜裂紋現(xiàn)場處理

鑒于電廠一時缺少彎頭備件，無法在此次余熱鍋爐大修期更換，通過上述分析，該彎頭材質(zhì)、金相組織、壁厚都能滿足使用要求，除此處龜裂紋缺陷外，未發(fā)現(xiàn)其他缺陷，因此采取對該龜裂紋打磨去除后再進(jìn)行補(bǔ)焊的處理措施，處理方法如下。

（1）打磨 使用電動角向磨光機(jī)對龜裂紋區(qū)域邊打磨邊觀察，直至肉眼觀察不到裂紋或其他缺陷，再利用磁粉檢測確認(rèn)是否還存在缺陷，如確認(rèn)仍存在缺陷，則繼續(xù)重復(fù)打磨，直至磁粉檢測不再發(fā)現(xiàn)有裂紋缺陷為止。最后打磨深度約4mm。

（2）焊前準(zhǔn)備 將待補(bǔ)焊區(qū)域用電動角向磨光機(jī)加工成V形坡口，并將待補(bǔ)焊區(qū)域周邊20～30m m打磨干凈，直至露出金屬光澤，確保無油漬、鐵銹、水分、氧化物或其他有害物質(zhì)。因補(bǔ)焊深度較小（約4mm），故采用全程手工鎢極氬弧焊（TIG）的補(bǔ)焊工藝，選用φ2.5mm的TIC-R31焊絲。氬弧焊用焊絲表面不得有油脂、鐵銹等污物。

（3）焊前預(yù)熱 焊前預(yù)熱可以減慢焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度，有利于避免產(chǎn)生淬硬組織，也有助于焊接區(qū)氫的逸出，防止產(chǎn)生焊接裂紋。由于12Cr1MoVG鋼的碳含量及合金元素含量較高，所以選擇補(bǔ)焊區(qū)預(yù)熱溫度為200～300℃。預(yù)熱區(qū)域以補(bǔ)焊區(qū)為中心，向外擴(kuò)展至少100mm。在整個焊接過程中，應(yīng)保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度。

（4）焊接 焊接12Cr1MoVG鋼時，應(yīng)采用較小的焊接熱輸入，以減小焊接應(yīng)力，減少焊接過熱區(qū)寬度，細(xì)化晶粒，提高焊縫金屬的抗裂性能。手工鎢極氬弧焊（TIG）焊接時采用短弧，焊槍盡可能與補(bǔ)焊區(qū)域表面垂直，有利于氬氣對焊接熔池的保護(hù)。焊槍和焊絲可稍作橫向擺動，保證坡口兩側(cè)熔透。同時，控制好熔池溫度，防止產(chǎn)生焊穿和焊瘤缺陷。在接頭部位，用手提砂輪打磨弧坑，將弧坑處的收弧裂紋和氣孔等焊接缺陷清除，然后繼續(xù)引弧焊接。

（5）焊后熱處理 12Cr1MoVG鋼的焊接接頭在焊后需進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，以消除或減少熱影響區(qū)出現(xiàn)的淬硬組織，增加塑性和韌性，有效地減少焊接殘余應(yīng)力，同時有利于擴(kuò)散氫的逸出，從而減少冷裂紋傾向。因此，在焊接結(jié)束時應(yīng)立即采用保溫材料將焊縫和近焊縫區(qū)覆蓋保溫，使接頭緩慢冷卻。隨后，將彎頭整體加熱至720～760℃，恒溫1～2h后，再隨爐冷卻至室溫。

（6）焊接檢測 焊后24h對補(bǔ)焊及周邊區(qū)域進(jìn)行外觀檢查、磁粉和超聲波檢測，結(jié)果均合格。

5 結(jié)束語

對于日啟停頻繁啟動的機(jī)組，主蒸汽管道彎頭會經(jīng)常受到熱應(yīng)力的作用。而露天布置的余熱鍋爐，主蒸汽管道彎頭容易受到雨水影響而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，更容易造成彎頭龜裂紋的產(chǎn)生。在余熱鍋爐大修過程中，通過對主蒸汽管道彎頭進(jìn)行安全性評價，確定打磨補(bǔ)焊的修復(fù)方案，延長了彎頭的使用時間。但是，造成彎頭產(chǎn)生龜裂紋的影響因素依然存在，建議在余熱鍋爐啟爐、停爐過程中，采取嚴(yán)格控制升溫和降溫速率，對彎頭保溫工藝嚴(yán)格把關(guān)，以及在余熱鍋爐頂部加裝擋雨棚等措施，并及時采購彎頭備件，在停爐合適的時間對其進(jìn)行更換，從而更好地保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。