高壓加熱器給水管道爆裂原因分析及對(duì)策

陸春燕 肖向虹

攀鋼集團(tuán)鋼鐵釩鈦股份有限公司發(fā)電廠 四川攀枝花市

攀鋼發(fā)電廠3#機(jī)組為100MW機(jī)組，配備2臺(tái)高壓加熱器（簡(jiǎn)稱高加），為立式串聯(lián)布置，疏水逐級(jí)自流，水位采用自動(dòng)調(diào)節(jié)。2012年3月，3-2#高壓加熱器給水管道進(jìn)水彎管于機(jī)組開啟過程中發(fā)生爆裂。該彎管設(shè)計(jì)為Φ273mm×22.2mm的90°熱壓彎頭無(wú)縫鋼管，材料st45.8Ⅲ（20G）。機(jī)組開機(jī)時(shí)，最高工作壓力17.81MPa，機(jī)組帶10萬(wàn)kW·h負(fù)荷時(shí)管道工作壓力為15～16.5MPa，溫度達(dá)195℃左右。爆管當(dāng)日機(jī)組帶4萬(wàn)kW·h負(fù)荷，給水母管道壓力為16.78MPa，溫度在90℃左右。該管道累計(jì)運(yùn)行已達(dá)102 496h。

一、宏觀檢驗(yàn)

爆裂發(fā)生在彎管段，爆開的殘片已脫離管體并墜地。圖1為炸開的彎頭部位，基本上沿彎曲點(diǎn)分離，但沒有超過彎曲切線點(diǎn)。裂口距上端焊縫400mm，距下端焊縫100mm。裂口長(zhǎng)460mm，寬300mm。宏觀斷口上顯示兩個(gè)斷裂源：一處在右邊斷口中部的缺口區(qū)，管壁厚度已減薄到12mm；另一處在左邊斷口中部，長(zhǎng)70mm，深11mm的疲勞裂紋，但管壁無(wú)明顯減?。▓D2）。圖3顯示左邊斷口外貌及斷裂源，疲勞裂紋起于鋼管外表面。上邊斷口管壁幾乎未減薄。圖4為下邊斷口外貌，斷口邊緣顯示多條原始裂紋。

對(duì)彎管進(jìn)行外徑和厚度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)彎管最大直徑278mm，最大壁厚21mm、最小壁厚19mm，管壁厚度不均勻。與設(shè)計(jì)值相比（設(shè)計(jì)值Φ73mm×22.2mm）外徑相差5mm，壁厚小于設(shè)計(jì)要求。

圖1 炸裂的彎道外貌

二、化學(xué)成分分析

在鋼管直管段切取試樣，用直讀光譜儀檢驗(yàn)爆管的化學(xué)成分，結(jié)果見表1。爆管的化學(xué)成分符合GB/T 5310-1999高壓用無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)st45.8Ⅲ（20G）鋼的技術(shù)要求，但含有其他元素，如：Ali-0.035 Mo-0.0048，Al-0.0148，Alsol-0.0119，Sb-0.039 Sn-0.083，As-0.035。

三、金相檢驗(yàn)

1.低倍檢驗(yàn)

直管段部分緊挨焊縫切取的橫截面鋼管，磨平、熱鹽酸水溶液浸蝕后的低倍組織形態(tài)見圖5。可見原始鋼管不圓，且厚度不均，測(cè)量最大直徑約為277mm，最小直徑約為270mm；最厚處壁厚約24mm，最薄處約17mm。通過斷裂源切取的環(huán)狀試樣，仍然顯示管壁厚度不均勻（圖6）。

圖2 東邊斷口外貌及斷裂源（缺口處）

圖3 西邊斷口外貌及斷裂源

圖4 南邊斷口外貌，斷口邊緣顯示多條裂紋

表1 鋼管的化學(xué)成分 （%）

原始鋼管失圓且壁厚不均勻，是在彎管時(shí)可能由于內(nèi)部支撐不足，或120°弧面加熱控制不良，致使彎管變薄加劇。注意到嚴(yán)重變薄發(fā)生在彎管東側(cè)，并非于鋼管彎頭外弧側(cè)，足證加熱部位及彎曲方向發(fā)生偏差。

2.顯微組織分析

圖5 緊挨焊縫切取的橫向磨片的低倍組織圖

分別直管段緊挨焊縫處及兩個(gè)斷裂源區(qū)切取試樣，于拋光態(tài)檢驗(yàn)出嚴(yán)重的集中夾雜（圖7）。浸蝕后的試樣，直管段的組織為晶粒細(xì)小的鐵素體+珠光體，屬無(wú)縫鋼管熱軋態(tài)組織。彎管斷裂源區(qū)組織（鐵素體+珠光體）較前者粗大，有所變形（圖8）。彎管斷裂源區(qū)組織（鐵素體+珠光體），亦較粗大（圖9）。

圖6 通過斷裂源切取的半環(huán)狀試片

圖7 所取試樣拋光態(tài)下的夾雜形態(tài)

圖8 東邊斷裂源區(qū)組織

鋼管中出現(xiàn)集中夾雜說明材料存在一定的脆性。彎頭的組織粗于直管段，則推測(cè)彎管彎制時(shí)加熱溫度過高，且彎制后管道又沒經(jīng)熱處理工序去細(xì)化組織。

3.斷口分析

（1）體視顯7鏡斷口觀察。斷口及斷裂源區(qū)顯示結(jié)晶狀脆斷特征（圖10），圖11為斷口裂紋源區(qū)的形貌，其斜向觀察見圖12。由圖12可見斷裂起源于皮下大夾雜。

圖9 西邊斷裂源區(qū)組織

圖10 西邊斷口裂紋源的形貌

圖11 東邊斷口裂紋源形態(tài)

圖12 東邊斷口斷裂起源于次表面夾雜

（2）掃描電鏡斷口觀察。斷口裂紋源區(qū)觀察到密集夾雜（圖13及表2），其裂紋擴(kuò)展區(qū)顯示拉長(zhǎng)的韌窩（圖14）。斷口裂紋源區(qū)的斷口形貌見圖13，于低倍率下可見大量夾雜，裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌為穿晶解理和韌窩混合，且有大量夾雜（圖14）。說明材料存在脆斷特征。

表2 斷口裂紋源區(qū)的SEM形態(tài)中元素含量

圖13 斷口裂紋源區(qū)的SEM形態(tài)（白亮點(diǎn)為夾雜）

圖14 斷口顯示拉長(zhǎng)的韌窩

圖15 斷口疲勞源區(qū)的斷口形貌

圖16 裂紋擴(kuò)展區(qū)（其間有大量夾雜）

四、運(yùn)行操作及其他檢查

3-2#高加給水管彎頭爆管當(dāng)日，因鍋爐故障，汽輪機(jī)打閘停機(jī)，此時(shí)高加保護(hù)動(dòng)作，高加給水進(jìn)口門自動(dòng)關(guān)閉。在機(jī)組負(fù)荷恢復(fù)時(shí)，操作人員在高加水側(cè)沒有正常投入前，錯(cuò)誤先投入高加汽側(cè)，50s后開啟高加電動(dòng)門組投入給水，隨即給水管彎頭爆裂。此過程中1#高加出水溫度一直維持在90℃左右。

對(duì)高加給其他水進(jìn)出口彎管、直管及焊縫進(jìn)行了外觀、磁粉及超聲波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)高加給水進(jìn)出口彎管中有兩個(gè)彎管背弧面分別有一條表面裂紋，長(zhǎng)41mm，經(jīng)打磨后缺陷消除；另有一彎管最大壁厚21mm、最小壁厚19mm，管壁厚度不均勻，最小壁厚小于設(shè)計(jì)要求；其余彎管及直管未見明顯缺陷。

高加給水彎管爆裂處是在水平管段延伸位置，此處長(zhǎng)期受管內(nèi)給水的沖擊。1#高加至2#高加之間8m長(zhǎng)的給水管道有6個(gè)彎頭，直管道短，應(yīng)力集中在彎頭處。

五、綜合分析及處理對(duì)策

1.綜合分析

爆裂的彎管存在原始材料缺陷及彎管加工缺陷。一方面該彎管屬疲勞開裂，疲勞源在東西兩側(cè)，皆起源于材料缺陷，即彎管中含有大量非金屬夾雜，斷裂起源于皮下大夾雜，其斷口穿晶解理且其間混有淺的韌窩形貌，說明材料已有明顯的脆化特征。另一方面彎管存在制造質(zhì)量缺陷。首先，原始鋼管失圓且壁厚不均勻，在彎管時(shí)可能由于內(nèi)部支撐不足，或120°弧面加熱控制不良，致使彎管變薄加劇。其次，檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鋼管彎頭的組織粗于直管段，出現(xiàn)閃爍狀結(jié)晶狀斷口及穿晶解理斷口形貌?？赡茕摴茉趶澲茣r(shí)加熱溫度過高，彎制后又沒經(jīng)熱處理細(xì)化組織，發(fā)生應(yīng)變的彎管，由于未經(jīng)退火或正火熱處理，使用溫度受熱加速了應(yīng)變時(shí)效的脆化過程。

高加給水管道本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，1#高加至2#高加之間8m長(zhǎng)的給水管道有6個(gè)彎頭，因受空間的限制，直管道短，柔性弱，不利于彎管應(yīng)力的釋放，應(yīng)力集中在彎頭處。

因停機(jī)后的每次開啟，在內(nèi)壓的作用下，于缺陷根部受到拉應(yīng)力而萌生疲勞裂紋，加上系統(tǒng)的振動(dòng)，使疲勞裂紋擴(kuò)展。本次管道爆裂是在鍋爐故障打閘停機(jī)后，系統(tǒng)重新開啟過程中發(fā)生的，由于操作不當(dāng)將高加汽側(cè)先于水側(cè)投入運(yùn)行，隨后立刻通過給泵投入給水，此時(shí)，高加給水彎管受管內(nèi)給水沖擊力的作用，疲勞裂紋加速擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到不能承受內(nèi)壓時(shí)便發(fā)生了炸管。由于材料已經(jīng)脆化，裂口沒有大面積屈服或鼓脹效應(yīng)，不是以液體泄漏方式松弛應(yīng)力，而是以脆斷釋放能量，因此整塊脆裂飛離管體。

2.處理對(duì)策

根據(jù)分析結(jié)論，發(fā)電廠擬定對(duì)同一時(shí)期、同批次進(jìn)廠的8個(gè)相同材料和規(guī)格的給水管道彎頭進(jìn)行更換處理。特別制定彎管備件制作的技術(shù)條件，要求彎管制造、安裝和驗(yàn)收按《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》（管道篇）、GB 5310-2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》、DL/T 515-2004《電站彎管》、DL/T 438-2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》等規(guī)程進(jìn)行制造和驗(yàn)收。

在備件制造過程中，派駐專業(yè)人員對(duì)備件的材質(zhì)、機(jī)械性能、制造工藝、檢測(cè)化驗(yàn)等進(jìn)行全過程監(jiān)督。確保備件材料、彎制、熱處理、各項(xiàng)檢驗(yàn)等符合技術(shù)要求、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，避免上述類似缺陷的產(chǎn)生。

在檢修過程中，及時(shí)調(diào)整給水管道支吊架。減少因的支撐吊架的松動(dòng)、管道振動(dòng)等造成彎道彎頭及焊縫應(yīng)力集中的現(xiàn)象。并利用3#機(jī)組小修機(jī)會(huì)，對(duì)3-1#至3-2#高加之間的給水管道及自動(dòng)旁路管道進(jìn)行更換，包括Φ273mm×24mm直管12.3m、Φ273mm×24mm 90°彎頭 6 個(gè)、Φ133mm×12mm 直管 16m、Φ133mm×12mm 90°彎頭 12個(gè)；Φ28mm×2.5mm 排氣、放水管各3根。

在焊接過程中，重視焊接質(zhì)量的把控。請(qǐng)教攀研院焊接專家，制定嚴(yán)密的焊接施工方案，安排具有資格和焊接經(jīng)驗(yàn)豐富的焊接人員，嚴(yán)格按施工方案進(jìn)行施工。并對(duì)3#機(jī)高加給水管道施工的所有焊口進(jìn)行100%的無(wú)損探傷檢驗(yàn)，直至焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)合格。

在運(yùn)行中，強(qiáng)調(diào)高加在投運(yùn)或停運(yùn)過程中的操作規(guī)范，即延長(zhǎng)高加投運(yùn)前的暖管時(shí)間、控制投運(yùn)過程中溫升和停運(yùn)時(shí)的降溫速度、控制好高加水側(cè)壓力，同時(shí)注意投汽、水側(cè)的順序等。

另外，利用機(jī)組大小修機(jī)會(huì)，加強(qiáng)對(duì)該彎頭進(jìn)行不定期檢驗(yàn)，盡早發(fā)現(xiàn)問題，排除再次發(fā)生爆管的可能。

六、結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)3#高加給水管道彎頭爆裂的原因分析，采取了相應(yīng)的對(duì)策和措施，并進(jìn)行有效的實(shí)施，保證了電廠高加給水管的安全運(yùn)行。該機(jī)組運(yùn)行至今，3#高加給水管道運(yùn)行正常，沒有發(fā)生泄漏和爆裂等事故。