摘 要:火電機(jī)組承壓部件上的溫度管座頻繁發(fā)生失效,總結(jié)了溫度管座失效的主要影響因素, 提出了綜合優(yōu)化的概念,并對(duì)影響管座安全性最重要的3個(gè)影響因素進(jìn)行研究。對(duì)火電機(jī)組溫度 管座的技術(shù)監(jiān)督給出了相關(guān)建議,可為火電廠新建機(jī)組溫度管座的設(shè)計(jì)制造、在役機(jī)組溫度管座的 維修改造提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:火電機(jī)組;承壓部件;溫度管座;影響因素;綜合優(yōu)化;安全性

中圖分類號(hào):TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)03-0001-04

火力發(fā)電廠承壓部件上管座眾多,主要有溫度測(cè) 點(diǎn)、壓力測(cè)點(diǎn)、疏(放)水、排空、蒸汽取樣等,管座均連 接在主蒸汽及再熱蒸汽管道和集箱上,其工作溫度 高、壓力大。近年來,因火電機(jī)組的調(diào)峰要求,高溫、 高壓管座和套管角焊縫處頻繁發(fā)生泄漏事故[1-4],其 中溫度管座的套管失效概率較大。為保證測(cè)溫的準(zhǔn) 確性,溫度管座需要插入承壓部件內(nèi)部,溫度套管頂 端受到蒸汽沖刷,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易產(chǎn)生疲勞失效,造成 機(jī)組非計(jì)劃停機(jī),給現(xiàn)場(chǎng)人員的人身安全帶來隱患。 有學(xué)者指出,P91鋼主汽管道上熱電偶插座裂紋的產(chǎn) 生原因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,采用增大坡口根部角 度的方法并保證全焊透可以避免裂紋的產(chǎn)生,但焊縫 缺陷返修實(shí)施難度很大,且返修對(duì)主汽管道損傷太 大[5];采用增加管座結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行改造,可以大大 降低焊接及熱處理工藝的操作難度,但溫度管座與套 管的角焊縫是未焊透結(jié)構(gòu),只能對(duì)角焊縫處進(jìn)行表面 探傷,無法對(duì)焊縫內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)[6]。

火電廠溫度管座的失效往往是各種因素綜合影 響而導(dǎo)致的。材料選擇不當(dāng)、裝配不當(dāng)、焊接工藝執(zhí) 行不到位、焊縫埋藏缺陷無法被及時(shí)檢測(cè)等原因,均 會(huì)導(dǎo)致管座失效,因此管座的安全服役是綜合優(yōu)化的 結(jié)果。針對(duì)這一情況,筆者對(duì)溫度管座的結(jié)構(gòu)、焊接 工藝、選材、檢測(cè)方法等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究,開展了相關(guān)試驗(yàn),并提出了綜合優(yōu)化的概念,為火電廠新建 機(jī)組管座設(shè)計(jì)、失效管座技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。

1 溫度管座失效的典型案例介紹

1.1 主汽門溫度套管脫落

2016年國(guó)內(nèi)某電廠600MW 機(jī)組高壓主汽門 入口溫度保護(hù)套管脫落,主汽門材料為ZG15CrMo 鋼,壁厚約為80mm,溫度套管材料為1Cr18Ni9Ti 鋼,溫度套管與主汽門管座孔為過渡配合,焊接結(jié)構(gòu) 未開坡口,焊接材料為 A132 鋼,焊腳尺寸約為 5mm(見圖1)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),位于坡口面約50%的 焊道外觀有明顯的裂紋擴(kuò)展痕跡,約30%有明顯的 撕裂痕跡。該焊接結(jié)構(gòu)未開坡口,焊腳尺寸及焊接 材料不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,當(dāng)機(jī)組啟停和調(diào)峰頻繁、 溫度變化次數(shù)增加時(shí),該溫度套管受到周期性熱應(yīng) 力,在焊縫根部產(chǎn)生裂紋,在運(yùn)行過程中裂紋不斷擴(kuò) 展,最終導(dǎo)致溫度套管脫落。

1.2 主蒸汽管道上溫度套管開裂

國(guó)內(nèi)某電廠600MW 機(jī)組的主蒸汽管道上溫 度套管發(fā)生開裂,開裂溫度套管的宏觀形貌如圖2 所示,可見裂紋位于焊縫與母管熔合線附近,主蒸汽 母管材料為 A335P91鋼,壁厚為47mm;溫度套管 材料為1Cr18Ni9Ti鋼,結(jié)構(gòu)形式為溫度套管直接 埋入主蒸汽管道中,且為未焊透結(jié)構(gòu)。該溫度套管 的結(jié)構(gòu)為直埋式未焊透結(jié)構(gòu),焊縫根部應(yīng)力集中程 度較大,焊縫根部坡口角度較小,焊接時(shí)擺絲困難,容易形成夾雜、未熔合缺陷。母管與套管材料不同, 為異種鋼焊接,焊接后實(shí)施熱處理的難度較大,在交 變應(yīng)力的作用下,沿焊縫與母材側(cè)熔合線產(chǎn)生裂紋, 導(dǎo)致溫度套管發(fā)生早期開裂。

2 溫度管座失效影響因素

2.1 異種鋼焊接接頭

溫度管座的材料一般為不銹鋼,管道、集箱或缸 體一般為鐵素體耐熱鋼,因此溫度管座就出現(xiàn)了異 種鋼焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì),奧氏體異種鋼接頭 發(fā)生早期失效的時(shí)間約為7×104h,鎳基合金異種 鋼接頭發(fā)生早期失效的時(shí)間約為106h。異種鋼的 熱膨脹系數(shù)存在差異,導(dǎo)致焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力較為 復(fù)雜,低合金側(cè)容易產(chǎn)生氧化缺口,因此異種鋼焊接 接頭易發(fā)生早期失效。

2.2 結(jié)構(gòu)

目前直埋式溫度管座一般都為未焊透結(jié)構(gòu),其 焊縫根部角度較小,焊接時(shí)擺絲困難,容易形成未焊 透或未融合缺陷,這種結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷,且很 難被檢測(cè)出來,使焊接質(zhì)量難以得到有效控制。

2.3 焊接工藝

焊接工藝不當(dāng),沒有進(jìn)行預(yù)熱和焊前熱處理,焊 縫根部存在嚴(yán)重未焊透現(xiàn)象,未做焊后熱處理,均會(huì) 導(dǎo)致溫度管座發(fā)生早期失效。

2.4 裝配工藝

裝配工藝不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致管座發(fā)生振動(dòng),并產(chǎn)生應(yīng) 力集中;還會(huì)使溫度管座的錐形套與管壁內(nèi)孔的錐 形面未緊密接觸,管座直段在介質(zhì)沖擊作用下發(fā)生 振動(dòng),最終使溫度管座根部發(fā)生疲勞斷裂。

2.5 管系布置

機(jī)爐外管往往沒有設(shè)計(jì)圖紙,施工單位在施工 過程中因地制宜進(jìn)行布置,但如果布置不當(dāng)造成熱 膨脹受阻、支吊架調(diào)整不到位,會(huì)使管座產(chǎn)生拘束應(yīng) 力,并引發(fā)開裂。

2.6 加工工藝

溫度管座變徑處存在退刀槽和截面突變,沒有 進(jìn)行圓滑過渡,存在應(yīng)力集中,容易導(dǎo)致該部位發(fā)生 泄漏。

3 綜合優(yōu)化

3.1 管座結(jié)構(gòu)

溫度管座按結(jié)構(gòu)形式分為直埋式、管座式和螺 紋式(見圖3~5)。直埋式溫度管座是將管座直接埋入承壓部件內(nèi)部焊接而成,可分為根部非焊透結(jié) 構(gòu)和全焊透結(jié)構(gòu);管座式溫度管座是用短節(jié)接管相 連接,可分為安放式和插入式;螺紋式溫度管座是在 管道開孔處或管座內(nèi)壁加工螺紋,套管與管座用螺 紋連接,并在管座表面進(jìn)行焊接密封。

因無法對(duì)螺紋式結(jié)構(gòu)角焊縫進(jìn)行無損檢測(cè),故 對(duì)管座的質(zhì)量可控性較差,存在安全風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)用較 少,一般應(yīng)用于高中壓主汽閥上;直埋式和管座式在 各類管座中應(yīng)用較廣泛。直埋式與管座式結(jié)構(gòu)優(yōu)缺 點(diǎn)的比較情況如表1所示,可見管座式結(jié)構(gòu)焊縫處 的應(yīng)力更小,對(duì)主管母材的熱損傷小,易修復(fù),可以 對(duì)焊縫埋藏缺陷進(jìn)行超聲檢測(cè),因此在設(shè)計(jì)、改造、 維修中應(yīng)首選管座式結(jié)構(gòu)。

3.2 管座材料

國(guó)內(nèi)大部分設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的溫度套管材料主要有 兩種,一種是與管道同材料的低合金耐熱鋼,另一種 是奧氏體不銹鋼,這兩種材料在各機(jī)組中所占比例相當(dāng)。不銹鋼溫度套管的優(yōu)點(diǎn)為,具有良好的抗氧 化性、耐腐蝕性以及抗蒸汽沖刷能力;缺點(diǎn)為易發(fā)生 異種鋼接頭早期失效,且鎳基焊縫不易進(jìn)行超聲檢 測(cè),很難對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。因此管座應(yīng)選用與套 管相同的材料,要綜合考慮材料的強(qiáng)度、抗氧化性、 熱膨脹性、疲勞、焊接、檢驗(yàn)檢測(cè)等方面因素。

3.3 管座檢測(cè)方法

3.3.1 外徑為32~89mm的管座

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)管座外露檢測(cè)面長(zhǎng)度滿足規(guī) 程要求時(shí),可采用普通 A型脈沖反射法對(duì)管座角焊 縫進(jìn)行檢測(cè)。探頭放置的檢測(cè)面為接管外壁,依靠 一次直射波和內(nèi)壁二次反射波進(jìn)行焊縫檢測(cè)覆蓋, 檢測(cè)過程中無須考慮管道曲面對(duì)缺陷定位的影響。

目前絕大部分機(jī)組管座的檢測(cè)面長(zhǎng)度均不滿足 規(guī)程要求,對(duì)于這種情況,如果管座檢測(cè)面長(zhǎng)度不小 于25mm,也可使用相控陣法進(jìn)行檢測(cè)[7]。

對(duì)于安放式管座,依據(jù)DL/T1105.2—2010《電 站鍋爐集箱小口徑接管座角焊縫 無損檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)則 第2部分:超聲檢測(cè)》進(jìn)行檢測(cè),可發(fā)現(xiàn)接管側(cè)坡口的 未熔合、未焊透缺陷,以及焊縫中的氣孔、夾雜、部分 反射面較好的裂紋,但若主管筒體不開坡口或坡口角 度很小,則很可能漏檢主管筒體坡口的未熔合缺陷。

對(duì)于直埋式管座,依據(jù) DL/T1105.2—2010進(jìn) 行檢測(cè),容易漏檢接管側(cè)焊接區(qū)未熔合缺陷,這也是 直埋式結(jié)構(gòu)不容易進(jìn)行質(zhì)量控制的原因。

3.3.2 外徑不小于89mm的管座

外徑不小于89mm的管座在疏水、排空、測(cè)溫、 壓力管座中應(yīng)用較少,此處不進(jìn)行討論。

3.3.3 外徑為22~32mm 且壁厚不小于4mm 的 管座

對(duì)于外徑為22~32mm 且壁厚不小于4mm 的管座,很多常規(guī)超聲檢測(cè)規(guī)程都沒將其納入檢測(cè) 范圍,可用相控陣法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

3.3.4 外徑小于22mm或壁厚小于4mm的管座

對(duì)于壁厚小于4mm的管座,體波難以傳播,易 形成導(dǎo)波,不能進(jìn)行超聲檢測(cè)?？梢圆捎弥绷鞔欧?檢測(cè)法對(duì)其近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)證實(shí),滿足 提升力≥177N 的直流電磁軛,能檢測(cè)壁厚4mm 管座的對(duì)接焊縫根部未焊透缺陷。

4 建議

4.1 管座結(jié)構(gòu)的選擇

對(duì)于服役溫度大于 400 ℃ 或服役載荷大于5.9MPa的承壓部件,推薦使用插入式管座;對(duì)于服 役溫度小于400℃或服役載荷小于5.9MPa的薄壁 承壓部件(壁厚小于20mm),推薦使用直埋式管 座。管座角焊縫、溫度測(cè)點(diǎn)、取樣管等與管座的對(duì)接 焊縫均須采用全焊透結(jié)構(gòu)。

對(duì)于安裝在管道上的各類管座,不宜使用螺紋 式結(jié)構(gòu);對(duì)于安裝在各類閥(缸)體上的各類管座,允 許采用螺紋式結(jié)構(gòu)。靠插入端緊密配合的溫度管 座,宜采用圓錐形設(shè)計(jì),安裝時(shí)保證管座與承壓部件 管壁頂緊。

承壓部件管座形式及角焊縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足 無損檢測(cè)對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷和表面缺陷的檢測(cè)要求, 接管外徑不小于32mm,壁厚不小于4mm,長(zhǎng)度不 低于60mm,強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 材料及焊接工藝的選擇

高溫(服役溫度不小于400℃)管座及套管宜選 用與承壓部件相同的材料,低溫(服役溫度小于 400℃)管座及套管可采用比承壓部件性能等級(jí)高 的材料。

焊縫坡口形式以及坡口角度的設(shè)計(jì)要滿足根部 焊透要求,盡量減少熔敷金屬填充量,以降低焊接應(yīng) 力;焊接宜采用氬弧焊打底,氬弧焊或低氫焊條填充 和蓋面。

4.3 檢測(cè)方法

按DL/T869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī) 程》的相關(guān)要求,對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀觀察、光譜檢 驗(yàn),如焊接接頭能放置便攜里氏硬度計(jì)時(shí),應(yīng)進(jìn)行硬 度測(cè)試。鐵磁性材料優(yōu)先使用磁粉檢測(cè)。能確定溫 度管座結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)允許的情況下應(yīng)進(jìn)行超聲檢測(cè), 并應(yīng)制定超聲檢測(cè)操作指導(dǎo)書;結(jié)構(gòu)不滿足超聲檢 測(cè)要求且曾發(fā)生過失效的管座,應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,以 滿足檢測(cè)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

火電廠溫度管座失效的影響因素有:管座結(jié)構(gòu)、 管座材料、焊接工藝、裝配工藝、管系布置等,需采用 綜合優(yōu)化思維對(duì)管座的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

管座結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先選擇全焊透的插入式管座,套 管及管座應(yīng)選用與承壓部件相同或相近的材料。管 座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇應(yīng)滿足無損檢測(cè)對(duì)焊縫埋 藏缺陷和表面缺陷的檢測(cè)要求。

綜合優(yōu)化概念的提出可以為提高火電廠溫度管座的安全性,避免機(jī)組發(fā)生事故甚至造成人身傷亡 等提供理論支持。

參考文獻(xiàn):

[1] 王宏軍,竇懷武,岳永久,等.#4爐主蒸汽取樣一次 門前儀表管管座角焊縫裂紋原因分析及處理[J].電 焊機(jī),2010,40(2):58-60.

[2] 王斌.高溫蒸汽管道、聯(lián)箱中小口徑管座的開裂及防 范措施[J].熱力發(fā)電,2003,32(4):39-41.

[3] 任曉虎,陳明,謝逍原,等.660MW 高壓加熱器接管 角焊縫開裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)), 2017,53(7):519-523.

[4] 胡斌斌.給水管座開裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)(物理 分冊(cè)),2009,45(4):230-235.

[5] 于進(jìn)云,張家剛.P91主蒸氣管道熱電偶插座裂紋分 析及在線修復(fù)[J].焊接,2008(8):46-49.

[6] 陳龍.火電機(jī)組四大管道溫度計(jì)套管改造[J].電力安 全技術(shù),2015,17(4):37-40.

[7] 樂群立.厚壁管道熱電偶插座焊接結(jié)構(gòu)改進(jìn)與工藝研 究[J].電力建設(shè),2008,29(4):86-88.

[8] 于達(dá),龍華明,孫亞娟,等.小直徑管管座角焊縫相控 陣檢測(cè)探究[J].焊管,2015,38(8):16-19.

<文章來源 >材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 59卷 > 3期 (pp:1-4)>