在用電站鍋爐主蒸汽閥門安全隱患問題的探討

劉召東 崔維剛 楊忠杰 王 雷

（日照市特種設(shè)備檢驗(yàn)科學(xué)研究院 日照 276800）

電站鍋爐是我國火力發(fā)電的主力軍，一旦發(fā)生故障停機(jī)或者爆炸會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。電站鍋爐閥門是電站鍋爐主機(jī)重要的配套設(shè)備。近年來，在國內(nèi)外新建的電廠中，隨著采用超超臨界、二次再熱等新技術(shù)的高參數(shù)機(jī)組相繼投產(chǎn)運(yùn)行，大型火電發(fā)電機(jī)組中鍋爐配套閥門與其他普通閥門相比工作工況更為惡劣，要求其具有更高的安全性、可靠性、密封性能以及工藝性能。而經(jīng)統(tǒng)計(jì)，閥門泄漏問題一直占鍋爐泄漏事故的約40%～60%，已嚴(yán)重影響機(jī)組能否一次通過水壓和試運(yùn)行，對后續(xù)鍋爐運(yùn)行也存在很大的安全隱患。因此，控制鍋爐閥門泄漏問題、降低鍋爐強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間是提高鍋爐運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。電站鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐都是大型鍋爐，參數(shù)高，功率大，一旦發(fā)生事故，容易造成群死群傷。電站鍋爐主蒸汽閥門是鍋爐安全運(yùn)行的重要元件。近年來，山東省內(nèi)多家電站鍋爐單位，在鍋爐壓力管道定期檢驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)主蒸汽閥門（主要是承壓殼體）存在大量超標(biāo)缺陷，有著較大的安全隱患，并具有普遍性。日照市場監(jiān)督管理局根據(jù)山東省市場監(jiān)管局《關(guān)于開展電站鍋爐主蒸汽管道閥門專項(xiàng)隱患排查治理》[1]的通知，委托筆者單位對全市電站鍋爐主蒸汽閥門進(jìn)行全面檢測，查出大量超標(biāo)缺陷，消除了安全隱患。

1 常見閥門

電站鍋爐閥門[2]一般包括鑄造閥門和鍛造閥門。型號主要有Z960Y-P54、140V/DN225、Z92Y-100V、P54-100V/DN250、Z562Y-100I、Z962Y、P54-100/DN250、Z562Y-100I、Z962Y、P54-100/DN250、Z62Y-Pw54、100V/DN200、Z41Y-100I/DN150、Z961Y-P54、140V/DN100、Z961Y-P55、170V/DN225、Z941Y-40I/DN300、6-2500LB/DN150、Z61Y-P55、170V/DN125、Z962Y-140/DN225等系列閥門。閥體主要結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 閥體主要結(jié)構(gòu)

2 檢驗(yàn)檢測方法和過程

1）宏觀檢驗(yàn)。檢查閥門的型式、規(guī)格是否滿足鍋爐要求，閥門閥體表面是否有明顯腐蝕、裂紋、泄漏和鑄（鍛）造缺陷。

2）壁厚測定。逐個(gè)核查最小壁厚。

3）MT/PT/UT檢測。參照NB/T 47013《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)[3]，對閥體逐個(gè)進(jìn)行無損檢測。閥體外表面100%無損檢測（磁粉或滲透檢測），閥體肩部及厚度截面變化大的應(yīng)力集中部位采用超聲內(nèi)部檢測。超聲波檢測對裂紋、折疊面積狀缺陷敏感，可以檢測缺陷的深度、長度、高度等信息；表面缺陷可采用磁粉或者著色滲透檢測，可有效地檢測表面和近表面的缺陷。

MT（磁粉檢測）工藝參數(shù)：采用交流磁軛法，非熒光磁粉、濕法。為便于觀察，使用反差增強(qiáng)劑。

PT（滲透檢測）工藝參數(shù)：采用Ⅱc-d，C級（高級）靈敏度。

UT（超聲波檢測）工藝參數(shù)：鍛件閥體參照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》中的承壓設(shè)備用碳鋼和低合金鋼鍛件超聲檢測方法及附錄E，鑄鋼材料閥體參照GB/T 7233.2—2010《鑄鋼件超聲檢測 第 2 部分：高承壓鑄鋼件》。

4）光譜篩查。逐個(gè)進(jìn)行光譜檢測，每個(gè)閥門不低于3點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)4個(gè)閥門錯(cuò)用材質(zhì)。

5）金相檢測。逐個(gè)進(jìn)行金相檢測，每個(gè)閥門不低于2點(diǎn)。存在裂紋的閥門，金相組織基本沒變化。

6）硬度檢測。對于額定溫度大于等于450 ℃（參照TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》中附錄J3.15.8規(guī)定）或者運(yùn)行時(shí)間超過5萬h的閥門逐個(gè)進(jìn)行硬度檢測，每個(gè)閥門不低于3點(diǎn)。

3 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

筆者單位檢驗(yàn)人員對大量檢驗(yàn)一線數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)并分析，得閥門判廢數(shù)量及不同材質(zhì)的閥門損傷數(shù)量（比例），見表1。火力發(fā)電廠在日照市起步較晚，從2002年左右才開始建設(shè)，到2021年8朋已增長到83臺次。本次整治共檢測閥門350余只，損傷判廢30余只，經(jīng)對2002～2019年間的相同材質(zhì)、型號閥門進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（如圖2所示），發(fā)現(xiàn)閥門失效數(shù)量與使用時(shí)間不成正比，無線性比例關(guān)系，這就意味著導(dǎo)致閥門缺陷產(chǎn)生的因素還有很多，如設(shè)備運(yùn)行狀況、使用管理、操作水平等。

表1 閥門判廢統(tǒng)計(jì)

圖2 閥門損傷與鍋爐運(yùn)行（投用）時(shí)間關(guān)系

4 缺陷原因分析

4.1 缺陷類型

缺陷主要為裂紋（條狀裂紋和龜裂狀裂紋）、氣孔（單個(gè)深孔、密集氣孔）、夾渣等。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，條狀裂紋基本出現(xiàn)在不同厚度截面交界處，龜裂狀裂紋大多出現(xiàn)在閥體中部位置。由于閥體肩部形狀復(fù)雜，壁厚變化大，以及閥體內(nèi)部存在夾雜或縮孔等缺陷，造成應(yīng)力集中，形成裂紋源（見圖3）。在打磨去除表面裂紋時(shí)，發(fā)現(xiàn)所有裂紋都是由內(nèi)向外開裂，且大部分裂紋的起始點(diǎn)是夾雜或縮孔（見圖4）。經(jīng)對裂紋周圍部位進(jìn)行金相分析，未發(fā)現(xiàn)異常。例如材質(zhì)為ZG20CrMoV的金相圖見圖5。

圖3 肩部裂紋

圖4 夾雜或縮孔裂紋

圖5 ZG20CrMoV金相圖

4.2 原因分析

閥門制造按照NB/T 47044—2014《電站閥門》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，該標(biāo)準(zhǔn)在檢查、檢驗(yàn)和試驗(yàn)項(xiàng)目中規(guī)定了材料復(fù)驗(yàn)、外觀檢查、尺寸檢查、強(qiáng)度試驗(yàn)和密封試驗(yàn)等，閥門在使用過程中，隨著運(yùn)行時(shí)間推移，不同型號材質(zhì)閥門會或多或少產(chǎn)生缺陷。1）閥門制造原因。鑄鋼閥門在制造過程中，由于設(shè)計(jì)、制造工藝的原因，會產(chǎn)生裂紋、夾雜、氣孔、折疊等先天缺陷。這些缺陷會造成局部應(yīng)力集中，最終成為裂紋危險(xiǎn)源。2）檢測檢查有漏檢。鑄件外觀檢查是否執(zhí)行JB/T 7927—2014《閥門鑄鋼件外觀質(zhì)量要求》標(biāo)準(zhǔn)[4]，不低于B級且無熱裂紋的要求；鍛件表面是否無肉眼可見裂紋、夾層、折疊、夾雜缺陷等問題。再者，內(nèi)部缺陷檢測，鑄鋼材料采用射線檢測，鍛件材料采用超聲波或射線檢測，但只是抽查并非100%無損檢測，很難保證合格率100%。3）設(shè)備運(yùn)行管理問題。閥門選用不當(dāng)，閥門開關(guān)操作不規(guī)范，超范圍參數(shù)運(yùn)行，不按時(shí)檢驗(yàn)檢測，日常維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)、不到位等。

4.3 檢測局限性

在用閥門檢驗(yàn)存在局限性。首先受現(xiàn)場環(huán)境條件限制，不能像在制作過程中那樣進(jìn)行射線檢測；再者閥門種類繁多、外形尺寸不規(guī)則、鑄鋼材料顆粒度大、材質(zhì)衰減嚴(yán)重等，對A型超聲波檢測帶來難度。存在檢測局限性勢必影響檢測質(zhì)量和可靠性，亟須研究探討更加便捷、可靠的檢測技術(shù)或工藝。

5 缺陷處理措施

電站鍋爐主蒸汽閥門殼體缺陷主要是閥體氣孔（單個(gè)深孔、密集氣孔）、夾渣、裂紋等。NB/T 47044—2014中第11章規(guī)定了返修要求：1）微缺陷。缺陷去除后壁厚大于圖樣壁厚的最小值，只需將缺陷表面打磨平滑，不用焊補(bǔ)；2）輕缺陷。介于微缺陷和重缺陷之間，缺陷深度大于5 mm時(shí)，在缺陷清除后進(jìn)行焊補(bǔ)；3）重缺陷。缺陷清除后其凹坑超過壁厚的20%或25 mm,或焊補(bǔ)面積大于65 cm2。[2]檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輕缺陷及重缺陷占缺陷總數(shù)的25%，微缺陷占缺陷總數(shù)的75%。

缺陷處理措施：先進(jìn)行輕微打磨，觀察其發(fā)展?fàn)顩r，如經(jīng)打磨后，裂紋下面露出氣孔、夾渣缺陷或者出現(xiàn)裂紋不斷擴(kuò)展情況，則分別進(jìn)行測厚判定和超聲檢測。對裂紋測量其深度，如超出最小厚度，可進(jìn)行返修（不包含NB/T 47044—2014標(biāo)準(zhǔn)中所列不允許補(bǔ)焊的類型）處理或直接報(bào)廢。

對于需要補(bǔ)焊的閥門，焊補(bǔ)處理一般程序?yàn)椋?）返修前，施焊單位應(yīng)找出原因，制定可行的返修方案；2）補(bǔ)焊部位，在補(bǔ)焊前和補(bǔ)焊后均應(yīng)按原規(guī)定的檢測方法進(jìn)行檢測；3）同一部位的焊接返修次數(shù)不應(yīng)超過2次。

檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)閥門缺陷后，絕大部分電站鍋爐企業(yè)考慮到閥門可焊性差，維修費(fèi)用昂貴且耗時(shí)較長，后續(xù)質(zhì)量沒法保證等因素，綜合分析后，選擇了更換新閥門，消除安全隱患。

6 防范建議

為進(jìn)一步防范電站閥門事故發(fā)生，保障電站鍋爐安全,提出以下建議：

1）進(jìn)一步建立和完善電站鍋爐閥門的制造和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)出廠前對電站鍋爐閥門的制造監(jiān)督檢驗(yàn)，從源頭上對電站鍋爐主蒸汽閥門的制造質(zhì)量進(jìn)行控制。[5]

2）電廠鍋爐起停中，建議嚴(yán)格控制鍋爐升溫和降溫速度，嚴(yán)防超溫運(yùn)行，重視對閥門等承壓部件的保溫工作，以盡量減小溫差應(yīng)力對承壓部件的破壞。企業(yè)應(yīng)結(jié)合大小修機(jī)會對鍋爐閥門進(jìn)行跟蹤檢驗(yàn)，尤其是存在溫差應(yīng)力的閥門。

3）在鍋爐定期檢驗(yàn)工作中，應(yīng)重視和擴(kuò)大對主蒸汽管道閥門的檢驗(yàn)，以增加實(shí)踐應(yīng)用中對鍋爐閥門缺陷的可控性，并對電廠加強(qiáng)對閥門的金屬監(jiān)督起到指導(dǎo)作用。

4）加強(qiáng)企業(yè)特種設(shè)備專職安全管理員和作業(yè)人員的理論知識培訓(xùn)，建立閥門事故專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，提高應(yīng)急處置能力，確保不發(fā)生事故或者事故發(fā)生時(shí)減小事故損失。

綜上所述，筆者認(rèn)為，閥門運(yùn)行過程產(chǎn)生缺陷主要與其材質(zhì)、制造質(zhì)量有關(guān)，與使用時(shí)間不存在線性比例關(guān)系。因此，要保障閥門的安全使用，必須保證閥門本體質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)安全管理人員和作業(yè)人員安全技能培訓(xùn)，保證檢驗(yàn)檢測質(zhì)量。通過以上防范措施，方能保障電站鍋爐的安全運(yùn)行。