摘 要:火電機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,并對影響管座安全性最重要的3個影響因素進行研究。對火電機組溫度 管座的技術(shù)監(jiān)督給出了相關(guān)建議,可為火電廠新建機組溫度管座的設(shè)計制造、在役機組溫度管座的 維修改造提供理論指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞:火電機組;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:TB31 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號: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 點、壓力測點、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,長時間運行易產(chǎn)生疲勞失效,造成 機組非計劃停機,給現(xiàn)場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) 生原因為焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,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 缺陷返修實施難度很大,且返修對主汽管道損傷太 大[5];采用增加管座結(jié)構(gòu)的方法進行改造,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),只能對角焊縫處進行表面 探傷,無法對焊縫內(nèi)部的缺陷進行檢測[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檢測等原因,均 會導(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。針對這一情況,筆者對溫度管座的結(jié)構(gòu)、焊接 工藝、選材、檢測方法等方面進行了系統(tǒng)研究,開展了相關(guān)試驗,并提出了綜合優(yōu)化的概念,為火電廠新建 機組管座設(shè)計、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年國內(nèi)某電廠600MW 機組高壓主汽門 入口溫度保護套管脫落,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)機組啟停和調(diào)峰頻繁、 溫度變化次數(shù)增加時,該溫度套管受到周期性熱應(yīng) 力,在焊縫根部產(chǎn)生裂紋,在運行過程中裂紋不斷擴 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
國內(nèi)某電廠600MW 機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。據(jù)統(tǒng)計,奧氏體異種鋼接頭 發(fā)生早期失效的時間約為7×104h,鎳基合金異種 鋼接頭發(fā)生早期失效的時間約為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 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)會導(dǎo)致管座發(fā)生振動,并產(chǎn)生應(yīng) 力集中;還會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,最終使溫度管座根部發(fā)生疲勞斷裂。
2.5 管系布置
機爐外管往往沒有設(shè)計圖紙,施工單位在施工 過程中因地制宜進行布置,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,并在管座表面進行焊接密封。
因無法對螺紋式結(jié)構(gòu)角焊縫進行無損檢測,故 對管座的質(zhì)量可控性較差,存在安全風(fēng)險,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,對主管母材的熱損傷小,易修復(fù),可以 對焊縫埋藏缺陷進行超聲檢測,因此在設(shè)計、改造、 維修中應(yīng)首選管座式結(jié)構(gòu)。
3.2 管座材料
國內(nèi)大部分設(shè)計院設(shè)計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,這兩種材料在各機組中所占比例相當(dāng)。不銹鋼溫度套管的優(yōu)點為,具有良好的抗氧 化性、耐腐蝕性以及抗蒸汽沖刷能力;缺點為易發(fā)生 異種鋼接頭早期失效,且鎳基焊縫不易進行超聲檢 測,很難對其進行質(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度、抗氧化性、 熱膨脹性、疲勞、焊接、檢驗檢測等方面因素。
3.3 管座檢測方法
3.3.1 外徑為32~89mm的管座
依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)管座外露檢測面長度滿足規(guī) 程要求時,可采用普通 A型脈沖反射法對管座角焊 縫進行檢測。探頭放置的檢測面為接管外壁,依靠 一次直射波和內(nèi)壁二次反射波進行焊縫檢測覆蓋, 檢測過程中無須考慮管道曲面對缺陷定位的影響。
目前絕大部分機組管座的檢測面長度均不滿足 規(guī)程要求,對于這種情況,如果管座檢測面長度不小 于25mm,也可使用相控陣法進行檢測[7]。
對于安放式管座,依據(jù)DL/T1105.2—2010《電 站鍋爐集箱小口徑接管座角焊縫 無損檢測技術(shù)導(dǎo)則 第2部分:超聲檢測》進行檢測,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。
對于直埋式管座,依據(jù) DL/T1105.2—2010進 行檢測,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、測溫、 壓力管座中應(yīng)用較少,此處不進行討論。
3.3.3 外徑為22~32mm 且壁厚不小于4mm 的 管座
對于外徑為22~32mm 且壁厚不小于4mm 的管座,很多常規(guī)超聲檢測規(guī)程都沒將其納入檢測 范圍,可用相控陣法對其進行檢測。
3.3.4 外徑小于22mm或壁厚小于4mm的管座
對于壁厚小于4mm的管座,體波難以傳播,易 形成導(dǎo)波,不能進行超聲檢測。可以采用直流磁粉 檢測法對其近表面缺陷進行檢測。試驗證實,滿足 提升力≥177N 的直流電磁軛,能檢測壁厚4mm 管座的對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、溫度測點、取樣管等與管座的對接 焊縫均須采用全焊透結(jié)構(gòu)。
對于安裝在管道上的各類管座,不宜使用螺紋 式結(jié)構(gòu);對于安裝在各類閥(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,安裝時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)計應(yīng)滿足 無損檢測對焊縫內(nèi)部缺陷和表面缺陷的檢測要求, 接管外徑不小于32mm,壁厚不小于4mm,長度不 低于60mm,強度滿足設(shè)計要求。
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高 的材料。
焊縫坡口形式以及坡口角度的設(shè)計要滿足根部 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,對焊接接頭進行宏觀觀察、光譜檢 驗,如焊接接頭能放置便攜里氏硬度計時,應(yīng)進行硬 度測試。鐵磁性材料優(yōu)先使用磁粉檢測。能確定溫 度管座結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)允許的情況下應(yīng)進行超聲檢測, 并應(yīng)制定超聲檢測操作指導(dǎo)書;結(jié)構(gòu)不滿足超聲檢 測要求且曾發(fā)生過失效的管座,應(yīng)進行結(jié)構(gòu)改造,以 滿足檢測要求。
5 結(jié)語
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)化思維對管座的安全性進行評價。
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、材料選擇應(yīng)滿足無損檢測對焊縫埋 藏缺陷和表面缺陷的檢測要求。
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,避免機組發(fā)生事故甚至造成人身傷亡 等提供理論支持。
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