300 MW機(jī)組高壓導(dǎo)汽管開裂分析及處理

王文濤，李長(zhǎng)有，董 鵬，陳 明，李 雪

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.華電能源股份有限公司佳木斯熱電廠，黑龍江 佳木斯 154000)

某火電機(jī)組汽輪機(jī)為亞臨界、一次中間再熱、高中壓合缸、雙缸雙排汽抽凝式汽輪機(jī)。機(jī)組高壓導(dǎo)汽管規(guī)格Φ325×51 mm、Φ299.5×32 mm，材質(zhì)12Cr2Mo1、12Cr1MoVG，共包含14個(gè)彎頭(管)、32道對(duì)接焊縫。在機(jī)組運(yùn)行87 000 h后，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管道焊縫存在多處嚴(yán)重異常開裂，結(jié)合檢查情況對(duì)開裂原因進(jìn)行了分析研究，并提出了處理措施。

1 缺陷情況

采用宏觀檢查、磁粉及超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)高壓導(dǎo)汽管5條對(duì)接焊縫共計(jì)存在12條裂紋缺陷，其中縱向裂紋沿熔合線開裂，橫向裂紋由一側(cè)熔合線向焊縫、彎管母材開裂，部分缺陷開裂已達(dá)半圈，裂紋數(shù)量多且失效嚴(yán)重，見表1及圖1、圖2。

對(duì)13、26號(hào)焊縫進(jìn)行金相顯微分析，結(jié)果表明未見過燒組織、淬硬馬氏體等異常情況，見圖3。對(duì)焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)，實(shí)測(cè)值為焊縫185～210 HBW、兩側(cè)母材136～155 HBW，硬度合格[1]。

表1 高壓導(dǎo)汽管焊縫裂紋

圖1 高壓導(dǎo)汽管管路示意圖

(a)13號(hào)焊縫裂紋

(b)26號(hào)焊縫裂紋圖2 高壓導(dǎo)汽管焊縫裂紋

(a)焊縫組織

(b)熱影響區(qū) 圖3 13號(hào)焊縫金相組織(200×)

經(jīng)外觀質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)，編號(hào)13、18、25、26焊縫管道側(cè)與閥體側(cè)母材組對(duì)不規(guī)范，未按標(biāo)準(zhǔn)要求處理接口尺寸，焊縫焊接填充不足，未進(jìn)行圓滑過渡處理，見圖4(a)。同管道焊縫5與6、11與12、20與21、22與23間距僅為70～80 mm，相鄰焊縫布置過于密集，不符合對(duì)接焊口間距離應(yīng)大于管道直徑且不小于150 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求[2]，見圖4(b)、(c)。高壓導(dǎo)汽管A、B、C、D短節(jié)尺寸為Φ299.5×32 mm，與高壓導(dǎo)汽管大部分管段Φ325×51 mm的尺寸不一致，同一管段上尺寸不統(tǒng)一，增加管道對(duì)口、坡口制備及焊接操作難度，產(chǎn)生應(yīng)力集中并顯著增加結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接應(yīng)力。對(duì)高壓導(dǎo)汽管各管段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)光譜檢測(cè)，檢查發(fā)現(xiàn)高壓導(dǎo)汽管及缸體管段存在12Cr1MoVG、12Cr2Mo1、P91牌號(hào)材料。管道材質(zhì)頻繁變化，形成20、21等共計(jì)8道異種鋼焊接接頭，因焊接接頭合金元素稀釋、蠕變強(qiáng)度不匹配、由于碳遷移產(chǎn)生脫碳層、膨脹系數(shù)相差較大以及殘余應(yīng)力等因素顯著增加了異種鋼接頭開裂失效的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]，見圖4(c)。

(a)

(b)

(c)圖4 高壓調(diào)節(jié)閥、缸體連接處管路圖

2 技術(shù)改造

高壓導(dǎo)汽管在投運(yùn)1年后，按照汽輪機(jī)廠家建議要求，對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)改造。具體改造內(nèi)容：尺寸由Φ299.5×32 mm變更為Φ325×51 mm，材質(zhì)由12Cr2Mo1更換為12Cr1MoVG，更換范圍為高壓調(diào)節(jié)閥至高壓缸本體間4根導(dǎo)汽管，技術(shù)改造焊縫共計(jì)28道。與高壓缸上、下缸體連接的共4段短節(jié)(A、B、C、D管段)及焊縫6、12、21、22保持原尺寸及材質(zhì)不變。檢查未見技術(shù)改造設(shè)計(jì)圖紙、審批文件、新更換管道質(zhì)量證明書、現(xiàn)場(chǎng)安裝過程記錄、檢測(cè)報(bào)告等資料。由此造成無法在以下關(guān)鍵性問題獲得設(shè)計(jì)依據(jù)和技術(shù)支撐：技術(shù)改造的原因、必要性；采用新尺寸、新材質(zhì)是否經(jīng)過科學(xué)計(jì)算分析論證；為何保留原4段短節(jié)管段不動(dòng)，造成改造后的管道尺寸、材質(zhì)總體不一致，增加焊接對(duì)口難度和異種鋼焊接接頭數(shù)量；高壓調(diào)節(jié)閥本體接管段壁厚、外徑尺寸與高壓導(dǎo)汽管管道差異較大，為保證二者的規(guī)范組對(duì)焊接，是否考慮過對(duì)高壓導(dǎo)汽管或閥體管段尺寸進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)、改造；設(shè)備出廠前和現(xiàn)場(chǎng)安裝后的檢測(cè)、彼時(shí)管道狀態(tài)是否符合標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求情況未知。由此表明本次技術(shù)改造存在設(shè)計(jì)不科學(xué)、安裝不規(guī)范、技術(shù)改造監(jiān)督失位問題。

3 檢修運(yùn)行

投運(yùn)至今，機(jī)組累計(jì)開展3次A級(jí)檢修。2020年在第3次A修期間除15號(hào)焊縫表面存在1條長(zhǎng)7 mm縱向裂紋外，未見其他超標(biāo)缺陷，在其他A級(jí)檢修及歷次B、C級(jí)檢修期間未見高壓導(dǎo)汽管相關(guān)檢測(cè)資料。由此說明機(jī)組投運(yùn)至今，特別是自技術(shù)改造投運(yùn)至今，除2020年A級(jí)檢修外，焊縫是否開展檢測(cè)及結(jié)果情況未知。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在經(jīng)歷3～4個(gè)A級(jí)檢修后，高壓導(dǎo)汽管是否完成了全部焊縫的金屬檢測(cè)，情況未知[1]。由此表明，高壓導(dǎo)汽管檢修期間監(jiān)督檢測(cè)執(zhí)行不到位，技術(shù)監(jiān)督工作缺失。在本次管道開裂故障前，1號(hào)機(jī)組高壓導(dǎo)汽管未發(fā)生開裂泄漏等失效情況。運(yùn)行期間，高壓導(dǎo)汽管溫度、壓力符合運(yùn)行及標(biāo)準(zhǔn)要求，不存在超溫超壓情況。

4 原因分析及處理措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查、無損檢測(cè)及改造、檢修、運(yùn)行等情況分析認(rèn)為：管道組對(duì)不規(guī)范、未按標(biāo)準(zhǔn)要求優(yōu)化處理接口尺寸，焊接填充不足，未對(duì)焊縫進(jìn)行圓滑過渡處理，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)及焊接應(yīng)力增加。管道材質(zhì)頻繁變化增加異種鋼焊接接頭、同管道焊縫設(shè)計(jì)布置過于密集造成焊接應(yīng)力疊加，以上是造成本次高壓導(dǎo)汽管焊縫開裂的主要原因。

制定專項(xiàng)技術(shù)方案，對(duì)裂紋缺陷按照挖補(bǔ)消除、復(fù)檢、焊接補(bǔ)焊、熱處理、焊后無損檢測(cè)的處理程序進(jìn)行。采用坡口機(jī)對(duì)裂紋進(jìn)行周向切削清除，因結(jié)構(gòu)原因不能開展機(jī)械切削的位置，采用角向砂輪打磨消除。優(yōu)先選用交流磁軛法磁粉檢測(cè)對(duì)挖補(bǔ)焊縫表面復(fù)檢，經(jīng)復(fù)檢合格后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)坡口尺寸進(jìn)行加工處理，并對(duì)制備后的坡口表面進(jìn)行著色滲透、磁粉檢測(cè)，以避免坡口遺留裂紋、氣孔等超標(biāo)缺陷。

為防止冷裂紋、再熱裂紋的產(chǎn)生，必須采用較高預(yù)熱溫度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及環(huán)境溫度，預(yù)熱溫度選擇300 ℃，升降溫速度不超過122 ℃/h。與管道相連接的閥體、缸體壁厚較大，且各位置厚度不均勻，因此為減小因溫度差產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致焊縫開裂的影響，應(yīng)設(shè)置多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，保證焊前預(yù)熱的均勻性。Cr-Mo類鋼種在焊接加熱過程中，晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大易增加再熱裂紋的敏感性，因此應(yīng)選用較小的焊接線能量。采用直徑Φ2.5 mm、R31氬弧焊絲打底，選用Φ3.2 mm/R317焊條填充至20 mm后，再使用Φ4.0 mm焊條填充，直到焊接完成。焊接前焊條應(yīng)在恒溫350 ℃條件下充分烘干1 h，焊接過程中焊條放置于80～120 ℃的便攜式保溫筒內(nèi)隨用隨取。每層焊接完成后檢查確認(rèn)合格后再焊接次層，直至完成。為保證后一焊道對(duì)前一焊道起到回火作用，焊接時(shí)應(yīng)控制每層焊道的厚度不超過焊條直徑，焊條擺動(dòng)的幅度不超過焊條直徑的2倍，每層焊道接頭錯(cuò)開10～15 mm，焊道平滑過渡。焊縫層間及焊接完成后的表面應(yīng)徹底清理焊渣、飛濺及缺陷，焊接過程不停頓，一次性完成。

熱處理所用熱電偶應(yīng)經(jīng)熱工校驗(yàn)、外觀、組織檢查合格后方可使用。焊后熱處理采用高溫回火，焊接完成應(yīng)立即進(jìn)行整體外觀檢查，對(duì)存在的表面缺陷立即消除。在缸體側(cè)均勻布置加熱器，加大加熱寬度，作為輔助加熱設(shè)備，采用1條獨(dú)立線路控制溫度。在焊縫側(cè)布置2只主控溫?zé)犭娕迹訜釋挾?50 mm，焊縫上側(cè)門體保溫厚度150 mm，焊縫保溫厚度不小于60～80 mm，恒溫溫度730±10 ℃，降溫至300 ℃后自然冷卻[5]。考慮到存在延遲裂紋等傾向，在熱處理完成24 h后進(jìn)行磁粉、硬度、超聲波、金相檢測(cè)。超聲波檢測(cè)時(shí)，為提高檢測(cè)率，應(yīng)將焊縫余高與兩側(cè)母材打磨齊平，采用小角度K值探頭、直探頭擴(kuò)大掃查范圍[6]。

5 結(jié)語

高壓導(dǎo)汽管多條焊縫嚴(yán)重開裂，顯著增加了設(shè)備開裂失效和人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)聯(lián)系汽輪機(jī)廠家、安裝單位，補(bǔ)充完善高壓導(dǎo)汽管技術(shù)改造圖紙、質(zhì)量證明書、安裝過程文件、檢測(cè)報(bào)告等技術(shù)資料，并按要求及時(shí)歸檔。結(jié)合焊縫開裂失效特點(diǎn)、機(jī)組安全運(yùn)行要求等方面對(duì)管道現(xiàn)行設(shè)計(jì)進(jìn)行分析再論證，通過優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)尺寸、材質(zhì)選用、坡口制備、提高焊接規(guī)范性等方面徹底消除管道焊縫開裂等重大隱患。在現(xiàn)有管道完成優(yōu)化改造前，利用歷次停機(jī)檢修機(jī)會(huì)，對(duì)高壓導(dǎo)汽管焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)，跟蹤監(jiān)督設(shè)備焊縫狀態(tài)，重點(diǎn)檢查與高壓調(diào)節(jié)閥、缸體相連焊縫，并將歷次檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確記錄，建立、完善高壓導(dǎo)汽管技術(shù)監(jiān)督臺(tái)賬。嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)監(jiān)督措施，有效去除設(shè)備隱患，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。