主蒸汽管道裂紋原因分析

馮作明 楊鐵存

四川省特種設(shè)備檢驗研究院 （四川 成都 610061）

主蒸汽母管道作為火力發(fā)電機組重要的部件之一，其安全可靠性是各技術(shù)部門（特別是技術(shù)監(jiān)督）最關(guān)心的問題。由于主蒸汽管道長期在高溫高壓的蒸汽作用下會產(chǎn)生材質(zhì) “老化”現(xiàn)象。近年來，各發(fā)電機組關(guān)于主蒸汽母管道裂紋泄露事件時有發(fā)生，嚴(yán)重影響發(fā)電機組安全運行。以四川石化南充煉油廠動力車間汽輪機房在用中溫中壓主蒸汽母管道定期檢驗時發(fā)現(xiàn)的裂紋為實例，對裂紋產(chǎn)生原因加以分析。

1 主蒸汽母管道概況

該主蒸汽母管道是動力車間最重要的管道，3臺蒸汽鍋爐的發(fā)電動力蒸汽均匯集于此管進入汽輪機作業(yè)，且運行過程中，常年不能停車，致使該管道長期在中溫、中壓下運行，工況較為惡劣，并且于上世紀(jì)80年代安裝并投入使用后，至今經(jīng)過多次局部修理改造，如圖1所示，A管道于2008年更換，B、C管道經(jīng)過多次局部焊補，使用期間曾發(fā)生過多次事故。其工作壓力3.9MPa，工作溫度450℃，材質(zhì)為20鋼,規(guī)格為 Φ219×9mm，Φ159×7mm，Φ133×13mm。

2 母管道外觀檢查

檢驗前，拆除該母管道所有保溫層，發(fā)現(xiàn)母管外表面均勻腐蝕較嚴(yán)重（圖2），特別是各焊縫周圍均有大小不一的腐蝕坑。另外，整條管道只有兩端有簡易的固定吊架，且處于損壞狀態(tài)。

3 母管外表面磁粉檢測

根據(jù)檢驗方案，對1#～23#焊縫進行了100%磁粉無損檢測，如圖3所示。

經(jīng)管道表面磁粉檢測發(fā)現(xiàn)，8#焊縫裂紋一條，如圖4（A）所示，裂紋沿焊縫與管道母材熔合線分布，長約70mm；10#焊縫裂紋兩處，一處裂紋3條，如圖4（B）所示，裂紋幾乎橫向切斷焊縫，表面開口度已達1mm，最長一條裂紋長約25mm,另外一處為密集型裂紋，沿焊縫與管道母材熔合線分布，約8條，最長一條約 15mm，見圖 4（C）；13#焊縫裂紋 3條，其中一條位于焊縫金屬上，與熔合線成45°角，長約4mm，另外兩條沿焊縫與母材熔合線分布，最長一條長約35mm。同時，10#和13#焊縫裂紋處母材上可見數(shù)個直徑約2～3mm的疏松孔。此外，在C管中部的母材表面發(fā)現(xiàn)裂紋一條，裂紋呈曲折蜿蜒狀，長約5mm，如圖4（E）所示。結(jié)合圖3可知，此次檢驗中，B管道8#、10#、13#焊縫和C管道母材表面均發(fā)現(xiàn)裂紋，A管道未發(fā)現(xiàn)裂紋。

4 化學(xué)成分分析

蒸汽管母材的化學(xué)成分結(jié)果見表1，其化學(xué)成分符合GB3087-2008低中壓鍋爐用無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于20鋼各元素含量范圍的規(guī)定。

5 金相檢驗

在13#焊縫裂紋附近B管母材上做金相覆膜試驗，其金相組織為鐵素體和珠光體，其中，部分區(qū)域分布有球狀珠光體,球化程度較嚴(yán)重,如圖5所示。

6 硬度試驗

用便攜式里氏硬度計分別對A、B、C管道母材進行了現(xiàn)場硬度試驗，里氏硬度數(shù)據(jù)通過換算以布氏硬度表示，對A、B、C三管母材表面分別測試13個有效布氏硬度數(shù)據(jù)并取平均值，結(jié)果如表2所示。

7 原因分析

經(jīng)資料審查可知，此次檢驗的三段母管中A段管道是2008年新?lián)Q，而B、C兩段管道均是80年代安裝投用后至今，期間多次發(fā)生事故，經(jīng)過多次維修改造。而恰好此次檢驗出的裂紋均出現(xiàn)在B、C兩管段上，新?lián)Q的A管段未發(fā)現(xiàn)裂紋。

（1）材料劣化，抗疲勞能力下降，易產(chǎn)生疲勞裂紋。根據(jù)《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定20鋼用于蒸汽管道材料時，最高使用溫度不應(yīng)超過430℃(703K)。此次檢驗的B、C兩管道材質(zhì)為20鋼，但使用溫度卻達450℃。由此可見，該管道長期（投用至今累計運行近20萬h）處于超過材料使用上限溫度下運行，材料劣化在所難免。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 /%

從金相組織方面分析，由圖5的金相組織照片可看出管道母材出現(xiàn)了較嚴(yán)重的球化現(xiàn)象。而球化程度是材料劣化的微觀表征，球化程度越深，材料劣化越嚴(yán)重[1]，由此可見，B、C管道母材已嚴(yán)重劣化；從硬度檢驗結(jié)果分析也能很好印證這一點。眾所周知，一般情況下，金屬材料的硬度值與強度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系，硬度越高，強度值也就越高，因此可以由布氏硬度值來表征材料的強度值，也即體現(xiàn)材料的力學(xué)性能狀況。由表2可看出，B、C管道母材硬度遠比A管道母材低，說明B、C管道母材強度遠低于A管道，B、C管道母材力學(xué)性能惡化，材料劣化。這是因為材料劣化后材料中球狀碳化物對位錯運動的阻力小于球化前的片狀碳化物[2]。材料劣化使材料抗疲勞裂紋能力下降，從而易產(chǎn)生疲勞裂紋。

表2 硬度測試結(jié)果表

（2）腐蝕坑存在，有助于裂紋擴展。由外觀檢驗和磁粉檢測可看出，裂紋區(qū)域存在有大量的腐蝕坑。文獻[3]研究表明腐蝕坑會導(dǎo)致裂紋的擴展，使部件抗疲勞的能力下降。

（3）母材中的疏松孔洞，易形成裂紋源。由外觀檢查中可發(fā)現(xiàn)該管道母材存在多個疏松孔洞，這些疏松孔洞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。文獻[4]研究表明，材料應(yīng)力集中的缺陷處最容易直接形成疲勞裂紋源。

（4）二次應(yīng)力。該管道投用至今累計運行近20萬h，運行期間啟停數(shù)十次。機組啟停過程中，管道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[3]。

（5）輔助設(shè)施不完善。在外檢過程中發(fā)現(xiàn)該管道只有兩端有簡易的固定支吊架，且已損壞，因此，管道基本長期處于無固定支吊架狀態(tài)。無支吊架的限位作用，管道容易發(fā)生偏移，造成管道局部應(yīng)力增加，加速了管道的損壞；另外，無固定支吊架約束，管道易產(chǎn)生振動、沖擊，振動、沖擊傳遞到焊縫根部，產(chǎn)生附加交變應(yīng)力，促進焊縫裂紋產(chǎn)生和擴展。

（6）其他原因。在多次的維修改造過程中，松、緊與管道連接的閥門法蘭螺栓時較大的外力也是裂紋產(chǎn)生和擴展的重要原因。

8 結(jié) 論

綜合上述分析可得，主蒸汽管道焊縫及其母材上存在的缺陷是產(chǎn)生裂紋的根源；長時間在較高的溫度下運行，其金屬部件出現(xiàn)材質(zhì)劣化，使材料抗疲勞裂紋能力下降，是裂紋產(chǎn)生的主要原因；長時間運行過程中不可避免產(chǎn)生的各種腐蝕坑有助于裂紋擴展；另外，固定支吊架設(shè)計不合理和維護、檢修不善而導(dǎo)致局部應(yīng)力增加、管道振動、沖擊產(chǎn)生的附加交變應(yīng)力以及管道維修過程中的外力也是裂紋產(chǎn)生和擴展的重要原因。

裂紋是主蒸汽管道發(fā)生事故的主要原因。因此，一方面，在主蒸汽管道制造、安裝、使用過程中盡量減少或避免引起裂紋產(chǎn)生的因素；另一方面，在主蒸汽管道維護和檢驗過程中要進行嚴(yán)格清查，對清查出的裂紋要及時進行徹底消除。只有這樣才能提高主蒸汽管道的安全可靠性，確保動力車間安全運行。

[1]潘金平,潘柏定.20G硬度與球化關(guān)系研究及壽命評估新方法[J].材料熱處理技術(shù),2012,41（12）:144-148.

[2]李兵.10CrMo910鋼球化加速特點及恢復(fù)熱處理工藝的研究[J].熱加工工藝,2002(6):50-51.

[3]黃橋生,萬克洋.主蒸汽管道裂紋原因分析及防治措施[J].華中電力,2009,22（6）:78-80.

[4]項智.鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中的裂紋問題[J].石油和化工設(shè)備,2011,14（10）:51-53.