主蒸汽管道裂紋原因分析及預(yù)防措施

黃橋生,萬克洋,胡 彬

(1.湖南省湘電試驗研究院有限公司,湖南長沙 410007;2.湖南省電力公司試驗研究院,湖南長沙 410007)

主蒸汽管道作為火力發(fā)電機(jī)組的重要部件,其安全可靠性是發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督工作中最為關(guān)注的重點(diǎn)問題。近年來,一些運(yùn)行時間較長的火電廠主蒸汽管道多次發(fā)現(xiàn)裂紋,直接危及電廠運(yùn)行安全。文中結(jié)合 2起主蒸汽管道焊接接頭裂紋實(shí)例,采用金相、化學(xué)元素分析、碳化物分析等試驗方法,綜合分析了裂紋產(chǎn)生的原因,并提出了相應(yīng)的預(yù)防裂紋產(chǎn)生的措施。

1 蒸汽管道焊縫結(jié)構(gòu)及常見缺陷

1.1 運(yùn)行工況

從 1970年起,我國高參數(shù)火電機(jī)組主蒸汽管大量采用德國生產(chǎn)的 10CrMo910鋼管。其中用于50 MW和 100 MW的 “薄壁”10CrMo910主蒸汽管,運(yùn)行 10萬 h左右就進(jìn)行更換。部分電廠采取適度降溫運(yùn)行后,目前累計運(yùn)行時間最長已超過20萬 h,管道進(jìn)入老齡化狀態(tài)。國內(nèi) 125 MW機(jī)組主蒸汽管 (蒸汽參數(shù) 540℃,13.7 MPa)數(shù)量較多,也采用 10CrMo910鋼管,且至今發(fā)現(xiàn)的問題很多〔1〕。

1.2 焊縫結(jié)構(gòu)

主蒸汽管道焊接坡口形式如圖 1所示,現(xiàn)場焊接采用手工鎢極氬弧焊打底、電弧焊填層蓋面方法。

1.3 常見缺陷

主蒸汽管道常見缺陷有:a.預(yù)熱溫度、層間溫度控制不均勻,較大的應(yīng)力和氫的擴(kuò)散聚集共同

圖 1 主蒸汽管道焊接坡口形式

作用產(chǎn)生近縫區(qū)冷裂紋;b.收弧不當(dāng)形成弧坑時,

弧坑處的雜質(zhì)較多且熔點(diǎn)較低,冷卻速度較快產(chǎn)生弧坑裂紋;c.高溫下運(yùn)行時,熱影響區(qū)的粗晶區(qū)可能產(chǎn)生再熱裂紋;d.焊接接頭中的雜質(zhì)在奧氏體晶界偏析,引起晶界脆化產(chǎn)生回火脆性;e.其他缺陷。

2 主蒸汽管道裂紋實(shí)例 1

2.1 概 況

某電廠 2號爐系哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn),鍋爐型號為 HG670/140-WM10,于1989年 11月投入運(yùn)行,累計運(yùn)行 110 216 h,其過熱器出口壓力13.72 MPa,溫度為 540℃,主蒸汽管道材質(zhì)為10CrMo910,規(guī)格為 Ф377 mm×45 mm。2007年 5月 19日,該爐大修磁粉檢查主蒸汽管道上排空氣管接管座角焊縫,發(fā)現(xiàn)爐頂右數(shù)第 1個對空排汽門管座角焊縫裂紋,見圖 2。

圖 2 某電廠主蒸汽管道角焊縫裂紋位置

2.2 宏觀檢查

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),焊縫裂紋長半圈,最深處約10 mm,裂紋邊緣粗鈍,沿角焊縫周向開裂,裂紋周圍有大量的腐蝕坑并伴隨有腐蝕產(chǎn)物。對空排氣管管系較長,且沒有吊架,也未加保溫,裂紋位置見圖 3。

圖 3 某主蒸汽管道裂紋位置示意圖

2.3 金相組織檢驗

在主排氣管附近蒸汽管道上做金相覆膜試驗,其金相組織為鐵素體 +貝氏體 +碳化物粒子。部分區(qū)域貝氏體有分散現(xiàn)象,貝氏體形貌尚存,晶界有少量碳化物,珠光體輕度球化。

2.4 化學(xué)成分分析

主蒸汽管道的化學(xué)成分結(jié)果見表 1,其化學(xué)成分符合 ASTM SA335《高溫用無縫鐵素體合金鋼管》關(guān)于 10CrMo910鋼各元素含量范圍的規(guī)定。

表 1 化學(xué)成分分析結(jié)果表 %

2.5 碳化物相分析

表 2列出了碳化物相結(jié)構(gòu)測定結(jié)果。碳化物相中,Cr元素含量為 24%,Mo元素的含量為66.1%,且碳化物中已出現(xiàn)了 20.58%的穩(wěn)定相M6C和 33.12%的次穩(wěn)定相 M23C6。

表 2 碳化物相結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表 %

2.6 試驗結(jié)果分析

試驗表明,該管材質(zhì)存在一定程度上的輕度球化,但貝氏體形貌尚存;碳化物相中 Mo元素已超標(biāo),并出現(xiàn)了穩(wěn)定相 M6C和次穩(wěn)定相 M23C6,表明材料組織已經(jīng)產(chǎn)生了較明顯的老化跡象。但是其化學(xué)成分正常。

2.7 裂紋原因

(1)金屬部件長時間在高溫下運(yùn)行,出現(xiàn)老化的現(xiàn)象,使材料抗疲勞能力下降,從而易于產(chǎn)生疲勞裂紋。

(2)主蒸汽管道上排空氣管管系較長,且沒有固定吊架,運(yùn)行過程中易產(chǎn)生振動,振動傳遞到根部,產(chǎn)生附加交變應(yīng)力。

(3)管座角焊縫應(yīng)力集中及較大焊接殘余應(yīng)力加速了疲勞裂紋的產(chǎn)生。

3 主蒸汽管道裂紋實(shí)例 2

3.1 概 況

某電廠 2號爐系英國 BABCOCK公司制造,鍋爐型式為亞臨界參數(shù)一次中間在熱自然循環(huán)單汽包固態(tài)排渣煤粉爐,于 1991年 12月投入運(yùn)行,累計運(yùn)行 10萬 h,其過熱器出口壓力17.5MPa,溫度為543℃,主蒸汽管道材質(zhì)為 ASTM SA335-872-P22,規(guī)格為 Ф421.2 mm×68 mm。2009年 6月 25日,該爐大修超聲波檢查 A側(cè)主蒸汽管道電動門進(jìn)口焊縫有 2處超標(biāo)缺陷,最大現(xiàn)行缺陷長度為70 mm,見圖 4。

3.2 宏觀檢查

超標(biāo)缺陷焊縫與閥體側(cè)母材連接有約 15mm高的臺階,形成 90°的夾角。2處超標(biāo)缺陷挖出后經(jīng) PT復(fù)檢確認(rèn)為裂紋,與超聲波檢驗情況基本一致,見表 3。其中裂紋 1主要沿電動門側(cè)焊縫熔合線分布,裂紋長 65 mm;裂紋 2長 20 mm,裂紋端部可見 2～3 mm的夾雜,為夾雜擴(kuò)展裂紋。

表 3 缺陷檢驗情況

3.3 化學(xué)成分分析

鋼管化學(xué)成分按照金屬化學(xué)分析法進(jìn)行,化學(xué)分析結(jié)果見表 4。其化學(xué)成分符合 ASTM SA335標(biāo)準(zhǔn)中各元素含量范圍的規(guī)定。

表 4 化學(xué)成分分析結(jié)果表 %

3.4 硬度檢查

用便攜式里氏硬度計對裂紋附近的主蒸汽管母材、焊縫、閥體進(jìn)行硬度試驗,發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道母材硬度偏低,見表 5。

表 5 硬度試驗結(jié)果表 HB

3.5 金相組織檢驗

主蒸汽管道上做金相覆膜試驗,其金相組織為鐵素體 +灰塊狀組織 (鐵素體 +碳化物粒子)。其中,呈灰塊狀的貝氏體組織已發(fā)生明顯分散,其中彌散分布著大量碳化物粒子,一些區(qū)域貝氏體的殘留形貌尚存。

3.6 試驗結(jié)果分析

該管材質(zhì)的確存在一定程度上的球化,貝氏體已發(fā)生了明顯分散,硬度降低。以上試驗表明,主蒸汽管道在長期高溫高壓下運(yùn)行,持久強(qiáng)度等使用性能逐漸下降,蠕變損傷增加,其焊接缺陷產(chǎn)生的微裂紋易在應(yīng)力作用下逐漸延伸擴(kuò)展。

3.7 裂紋原因

(1)管道母材高溫下長時間運(yùn)行后,硬度偏低,出現(xiàn)了老化現(xiàn)象,使材料抗疲勞能力有所下降,從而易于產(chǎn)生疲勞裂紋。

(2)焊縫內(nèi)存的夾雜破壞了基體金屬的均勻連續(xù)性,減少了基體金屬的承載截面積,并產(chǎn)生應(yīng)力集中,對構(gòu)件危害較大。這些缺陷直接形成疲勞裂紋源。

(3)焊接接頭兩側(cè)母材的壁厚偏差較大,焊縫表面與母材之間形成了約 90°的夾角。從而造成結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,產(chǎn)生應(yīng)力集中,使熔合線處成為該焊接接頭的薄弱部位。

(4)該機(jī)組已累計運(yùn)行 10萬 h,期間啟停數(shù)十次。機(jī)組啟停過程,主蒸汽管系由熱脹冷縮等變形受約束而產(chǎn)生二次應(yīng)力,也是造成疲勞裂紋的主要原因。

4 裂紋原因綜合分析

主蒸汽管道裂紋產(chǎn)生的類型多種多樣,裂紋的起因各異,但很多裂紋的形成多具有一定的規(guī)律性,歸納起來主要有:(1)與設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境有很大的關(guān)系,當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)處于結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大的區(qū)域時,容易引發(fā)裂紋的形成。(2)外界因素也會對裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展造成一定的影響。 (3)焊接過程中存在的焊接缺陷也是裂紋產(chǎn)生的主要原因之一。

5 結(jié)論及預(yù)防措施

5.1 結(jié) 論

焊縫上存在的缺陷是產(chǎn)生裂紋的根源。主蒸汽管道運(yùn)行 10萬 h以上,其金屬部件長時間在高溫下運(yùn)行出現(xiàn)老化現(xiàn)象,使材料抗疲勞能力下降是產(chǎn)生裂紋的主要原因;焊接管座時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力有助于疲勞裂紋的產(chǎn)生〔2〕;管系和焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理而產(chǎn)生的應(yīng)力有助于疲勞裂紋擴(kuò)展〔3〕。

5.2 防治措施

在管道施工中嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝,高度重視焊接質(zhì)量,焊后進(jìn)行 100%的無損檢測。焊后熱處理后應(yīng)進(jìn)行硬度檢驗,確認(rèn)熱處理效果。為避免應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,應(yīng)保證焊縫與母材表面的圓滑過渡。對于管系較長的應(yīng)安裝支吊架,改善管系的應(yīng)力狀況。加強(qiáng)運(yùn)行過程的監(jiān)控,提高運(yùn)行水平,避免因運(yùn)行原因形成額外的附加應(yīng)力。

〔1〕林忠元,等.125MW機(jī)組 10CrMo910主蒸汽管運(yùn)行 11.7萬 h后使用性能 〔J〕.華東電力,2003,2(1):36-37.

〔2〕孫丙新,等.4號爐主蒸汽管道排空氣管孔裂紋的原因分析及處理 〔J〕.內(nèi)蒙古電力技術(shù),2004,22(1):17-18.

〔3〕范良.火電廠主蒸汽管焊縫裂紋案例分析 〔J〕.中國特種設(shè)備安全,2007,23(8):34-35.