如何確保管道熱電偶套管管座連接的可靠性

摘 要 通過(guò)對(duì)火力發(fā)電廠主汽和再熱器、給水管道上安裝的熱工熱電偶套管出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題的研究分析，提出切實(shí)可行的處理建議，對(duì)保證300 MW-660 MW機(jī)組安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 熱電偶套管；開(kāi)裂；焊接；原因；建議

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）04-0077-02

火力發(fā)電廠主蒸汽、再熱器蒸汽管道、給水管道承受較高的溫度和壓力，特別是超臨界和超超臨界機(jī)組。經(jīng)過(guò)跟蹤統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)多個(gè)火電廠頻繁發(fā)生管道上熱電偶管座焊縫開(kāi)裂不安全事件，事件一旦發(fā)生輕則被迫停機(jī)停爐減少發(fā)電量影響負(fù)荷，重則高溫高壓管道發(fā)生爆炸，繼而導(dǎo)致重大人員傷亡、大型熱力設(shè)備損壞惡性事故，一旦發(fā)生事故將對(duì)國(guó)家造成無(wú)法彌補(bǔ)重大損失。

1 事故案例調(diào)查與統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)大唐集團(tuán)、華能集團(tuán)、國(guó)電集團(tuán)等6個(gè)集團(tuán)公司23家電廠調(diào)查統(tǒng)計(jì)，從1998年至2013年6月共計(jì)106起熱電偶套管角焊縫開(kāi)裂的不安全事件看，熱偶材質(zhì)一般采用奧氏體不銹鋼如1Cr18Ni9Ti、304、316等，母管材質(zhì)12Cr1MoV、P91等，異種鋼焊接，如果熱電偶套管與管道連接方式不合理或者安裝焊接質(zhì)量低下將對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生直接威脅。

統(tǒng)計(jì)表

容量

（MW） 總計(jì)

數(shù)量 主要材質(zhì) 漏泄

停機(jī) 材質(zhì)

原因 螺紋

密封式 角焊接

方式

占比 插接

方式 造成停機(jī)

處理占比

200 28 12Cr1MoV/

1Cr18Ni9Ti 22 5 1 89.3% 24 85.7%

300-350 36 12Cr1MoV/

1Cr18Ni9Ti 28 2 5 67% 19 52.7%

600-660 42 P91/

1Cr18Ni9Ti 33 3 12 55% 17 40.2%

合計(jì) 106 83 10 18 70.8% 60 60%

2 缺陷產(chǎn)生原因分析歸類

2.1 插接式結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量不過(guò)關(guān)是主要原因之一

插接式焊接方式是熱電偶套管連接比較普遍的一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)容易在交變應(yīng)力作用下，交變應(yīng)力應(yīng)力集中點(diǎn)的部位經(jīng)常斷裂。焊縫母材與熱電偶套管很近會(huì)造成應(yīng)力集中部位形成脆性相造成事故隱患；異種鋼焊接不容易選擇和兩者都相近的焊接材料，對(duì)輸入熱量也有不同要求，焊接工藝較為復(fù)雜，插入式角焊接式故障率最高，可靠性差。

焊縫母材管壁開(kāi)口側(cè)壁與熱電偶套管加工間隙小，破口開(kāi)度小，施工焊接時(shí)熔池狹小，熱容量低，焊接時(shí)預(yù)熱溫度保證不了時(shí)非常容易產(chǎn)生未熔合缺陷。

從安裝插件結(jié)構(gòu)看，管道加工開(kāi)孔一般都為梯椎柱孔，套管與管道母體不能完全接觸，使受力點(diǎn)完全由套管焊縫根部承受，焊縫根部承受的蒸汽沖擊應(yīng)力增大、應(yīng)力集中造成應(yīng)力疲勞開(kāi)裂。

應(yīng)力疲勞開(kāi)裂是焊縫裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的原因，具有短周期疲勞擴(kuò)展性質(zhì)。裂紋的產(chǎn)生是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和特殊載荷綜合影響的結(jié)果。

2.2 管道振動(dòng)過(guò)大和共振是造成熱電偶疲勞損壞是主要原因之一

流體流經(jīng)熱電偶套管時(shí)，誘發(fā)套管振動(dòng)，即套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率接近或一致，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這種振動(dòng)導(dǎo)致熱電偶套管的加速損壞，以致斷裂。周期性受蒸汽沖刷而振動(dòng)，夾套套管處存在交變沖擊載荷，促使焊縫處產(chǎn)生交變疲勞裂紋。套管本身有加工缺陷應(yīng)力再超過(guò)極限，運(yùn)行中在蒸汽的沖刷下容易造成斷裂。

2.3 螺紋密封式螺紋處漏泄故障率高

對(duì)于裝配螺紋預(yù)緊力有較高要求；過(guò)高過(guò)低都不可取，螺紋連接雖然避免了焊接加熱時(shí)對(duì)金屬組織性能的影響，但是要求套管與管座的連接緊密程度精度較高，若是連接松動(dòng)則可能發(fā)生泄露，也可能在蒸汽的交變應(yīng)力作用下劇烈振動(dòng)發(fā)生斷裂，而預(yù)緊力過(guò)大產(chǎn)生的扭矩應(yīng)力過(guò)度集中早期或初期就容易發(fā)生開(kāi)裂；因此不宜采用單純的螺紋連接，存在安全隱患。

3 安裝接質(zhì)量可靠性分析

以600 MW以上機(jī)組為例：熱電偶套管材質(zhì)大部分為00Cr19Ni10，主管道材質(zhì)大部分為P91，而P91具有較大的淬硬傾向，焊接時(shí)的首要問(wèn)題是淬火裂紋和推延裂紋，熱影響區(qū)具有強(qiáng)裂的淬硬傾向，并構(gòu)成很硬的馬氏體組織，焊接性差，焊接時(shí)需要采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施，才能防止冷裂紋的產(chǎn)生。

奧氏體不銹鋼熱膨脹系數(shù)比馬氏體鋼要大，而熱導(dǎo)率卻比馬氏體鋼小。即使通過(guò)焊后熱處理殘余應(yīng)力也難以消除。異種鋼焊接接頭不均勻的熱收縮性會(huì)重新產(chǎn)生殘余應(yīng)力，可能產(chǎn)生裂紋。

當(dāng)焊接接頭剛度大或氫量高時(shí)，在焊接應(yīng)力的作用下，由高溫直接冷卻很容易發(fā)生冷裂紋，含碳量越高，冷裂紋傾向越大；異種鋼在焊接時(shí)在高溫高壓下長(zhǎng)期運(yùn)行后熔合線兩側(cè)易產(chǎn)生組織過(guò)早老化，熱膨脹不匹配差異，易發(fā)生早期失效，國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)時(shí)間約為7萬(wàn)小時(shí)左右。

4 安裝焊接處理措施

1）焊接前對(duì)整個(gè)熱偶和母材進(jìn)行100%滲透檢驗(yàn)，按照J(rèn)B4730-2005 Ⅰ級(jí)合格，對(duì)整個(gè)熱偶測(cè)厚，保證最小厚度符合圖紙要求；對(duì)焊口進(jìn)行200℃-250℃的預(yù)熱處理，預(yù)熱部位只加熱P91母材側(cè)，焊接方法選用鎢極氬弧焊打底，電焊蓋面，分層施焊。焊絲選用TGS-9Cb，Ф2.4 mm；氬弧焊焊接電流宜控制為100 A-130 A，焊速為70 mm/min-75 mm/min；焊條選用AWSE9015-B9，Ф2.5-3.24 mm，電流宜控制為80 A-140 A，并嚴(yán)格控制焊道間溫度≦300℃，控制層間溫度不大于150℃，焊后的熱處理溫度和管子壁厚有直接關(guān)系，大直徑管道以壁厚每25 mm處理1 h。P91鋼對(duì)焊縫IV型裂紋敏感，因此，要盡量減少P91鋼材中的系統(tǒng)應(yīng)力，對(duì)壁厚大于12.5 mm的管道，要求在焊后冷到100℃以上即回火，焊后熱處理溫度為750±10℃

2）考慮到坡口形式對(duì)母材不易焊透和熔合比的影響，將原焊縫坡口打磨增大為45°，以增加焊接層次，減小熔合比。增大套管外徑，減小套管內(nèi)徑可以提高截面慣性矩，亦增加了結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以錯(cuò)開(kāi)共振危險(xiǎn)區(qū)。實(shí)際中增加套管外徑和壁厚，可以達(dá)到很好的效果。

3）安裝位置要科學(xué)合理，安裝位置錯(cuò)開(kāi)管道彎道、閥門、節(jié)流孔板附近，以防止速度擾動(dòng)，引起振動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）優(yōu)先選擇螺紋密封加焊接式裝配方式；現(xiàn)有的其他連接方式主要嚴(yán)格控制焊接裝配工藝，先通過(guò)對(duì)管座焊接結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)的分析，分別得出焊接裂紋出現(xiàn)的原因，為解決問(wèn)題提供前提條件。

2）合理選擇焊接工藝和焊接材料，對(duì)于異種鋼管接頭的焊接工藝操作特點(diǎn)是采用大坡口、小規(guī)范、小直徑焊絲，快速直流焊接，可以減少焊接熱輸入，從而有效地減小碳遷移過(guò)渡層的寬度。對(duì)施焊全過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督和控制。

3）加強(qiáng)運(yùn)行方式調(diào)節(jié)避免誘因發(fā)生

盡量維持系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性，防止參數(shù)變化幅度較大，在負(fù)荷低于15%時(shí)禁止減溫水投運(yùn)，系統(tǒng)開(kāi)啟投運(yùn)時(shí)，避免發(fā)生管道上閥門突然全開(kāi)情況。對(duì)投運(yùn)管道較長(zhǎng)的蒸汽管道要充分疏水，防止震動(dòng)；在系統(tǒng)剛投運(yùn)時(shí)，要緩慢地開(kāi)啟閥門，讓系統(tǒng)壓力逐漸上升，盡可能減小溫度計(jì)套管正面和背面的壓力差，避免套管因單向受力過(guò)大而導(dǎo)致套管斷裂事故發(fā)生。

通過(guò)我們優(yōu)化篩選找到了切實(shí)可行的處理方案，對(duì)保證火力發(fā)電廠機(jī)組安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]DL/T-2010火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程[S].

[2]于洪波，李霞.熱電偶套管斷裂的原因分析及預(yù)防措施[J].石油化工自動(dòng)化，2008.

[3]錢頌文，等.換熱流體誘發(fā)振動(dòng)基礎(chǔ)[M].武漢：華中工學(xué)院出版社，1988.

[4]李萌盛，等.電站鍋爐異種鋼接頭斷裂機(jī)理研究[J].華東電力，1997.

[5]彭鑫.湘潭電廠主蒸汽管道管座焊縫裂紋原因分析及處理[J].機(jī)械工人，2006.

作者簡(jiǎn)介

劉立海（1972-），男，工程師，畢業(yè)于東北電力學(xué)院，主要從事金屬檢驗(yàn)、理化檢驗(yàn)、監(jiān)督工作。endprint

摘 要 通過(guò)對(duì)火力發(fā)電廠主汽和再熱器、給水管道上安裝的熱工熱電偶套管出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題的研究分析，提出切實(shí)可行的處理建議，對(duì)保證300 MW-660 MW機(jī)組安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 熱電偶套管；開(kāi)裂；焊接；原因；建議

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）04-0077-02

火力發(fā)電廠主蒸汽、再熱器蒸汽管道、給水管道承受較高的溫度和壓力，特別是超臨界和超超臨界機(jī)組。經(jīng)過(guò)跟蹤統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)多個(gè)火電廠頻繁發(fā)生管道上熱電偶管座焊縫開(kāi)裂不安全事件，事件一旦發(fā)生輕則被迫停機(jī)停爐減少發(fā)電量影響負(fù)荷，重則高溫高壓管道發(fā)生爆炸，繼而導(dǎo)致重大人員傷亡、大型熱力設(shè)備損壞惡性事故，一旦發(fā)生事故將對(duì)國(guó)家造成無(wú)法彌補(bǔ)重大損失。

1 事故案例調(diào)查與統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)大唐集團(tuán)、華能集團(tuán)、國(guó)電集團(tuán)等6個(gè)集團(tuán)公司23家電廠調(diào)查統(tǒng)計(jì)，從1998年至2013年6月共計(jì)106起熱電偶套管角焊縫開(kāi)裂的不安全事件看，熱偶材質(zhì)一般采用奧氏體不銹鋼如1Cr18Ni9Ti、304、316等，母管材質(zhì)12Cr1MoV、P91等，異種鋼焊接，如果熱電偶套管與管道連接方式不合理或者安裝焊接質(zhì)量低下將對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生直接威脅。

統(tǒng)計(jì)表

容量

（MW） 總計(jì)

數(shù)量 主要材質(zhì) 漏泄

停機(jī) 材質(zhì)

原因 螺紋

密封式 角焊接

方式

占比 插接

方式 造成停機(jī)

處理占比

200 28 12Cr1MoV/

1Cr18Ni9Ti 22 5 1 89.3% 24 85.7%

300-350 36 12Cr1MoV/

1Cr18Ni9Ti 28 2 5 67% 19 52.7%

600-660 42 P91/

1Cr18Ni9Ti 33 3 12 55% 17 40.2%

合計(jì) 106 83 10 18 70.8% 60 60%

2 缺陷產(chǎn)生原因分析歸類

2.1 插接式結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量不過(guò)關(guān)是主要原因之一

插接式焊接方式是熱電偶套管連接比較普遍的一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)容易在交變應(yīng)力作用下，交變應(yīng)力應(yīng)力集中點(diǎn)的部位經(jīng)常斷裂。焊縫母材與熱電偶套管很近會(huì)造成應(yīng)力集中部位形成脆性相造成事故隱患；異種鋼焊接不容易選擇和兩者都相近的焊接材料，對(duì)輸入熱量也有不同要求，焊接工藝較為復(fù)雜，插入式角焊接式故障率最高，可靠性差。

焊縫母材管壁開(kāi)口側(cè)壁與熱電偶套管加工間隙小，破口開(kāi)度小，施工焊接時(shí)熔池狹小，熱容量低，焊接時(shí)預(yù)熱溫度保證不了時(shí)非常容易產(chǎn)生未熔合缺陷。

從安裝插件結(jié)構(gòu)看，管道加工開(kāi)孔一般都為梯椎柱孔，套管與管道母體不能完全接觸，使受力點(diǎn)完全由套管焊縫根部承受，焊縫根部承受的蒸汽沖擊應(yīng)力增大、應(yīng)力集中造成應(yīng)力疲勞開(kāi)裂。

應(yīng)力疲勞開(kāi)裂是焊縫裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的原因，具有短周期疲勞擴(kuò)展性質(zhì)。裂紋的產(chǎn)生是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和特殊載荷綜合影響的結(jié)果。

2.2 管道振動(dòng)過(guò)大和共振是造成熱電偶疲勞損壞是主要原因之一

流體流經(jīng)熱電偶套管時(shí)，誘發(fā)套管振動(dòng)，即套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率接近或一致，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這種振動(dòng)導(dǎo)致熱電偶套管的加速損壞，以致斷裂。周期性受蒸汽沖刷而振動(dòng)，夾套套管處存在交變沖擊載荷，促使焊縫處產(chǎn)生交變疲勞裂紋。套管本身有加工缺陷應(yīng)力再超過(guò)極限，運(yùn)行中在蒸汽的沖刷下容易造成斷裂。

2.3 螺紋密封式螺紋處漏泄故障率高

對(duì)于裝配螺紋預(yù)緊力有較高要求；過(guò)高過(guò)低都不可取，螺紋連接雖然避免了焊接加熱時(shí)對(duì)金屬組織性能的影響，但是要求套管與管座的連接緊密程度精度較高，若是連接松動(dòng)則可能發(fā)生泄露，也可能在蒸汽的交變應(yīng)力作用下劇烈振動(dòng)發(fā)生斷裂，而預(yù)緊力過(guò)大產(chǎn)生的扭矩應(yīng)力過(guò)度集中早期或初期就容易發(fā)生開(kāi)裂；因此不宜采用單純的螺紋連接，存在安全隱患。

3 安裝接質(zhì)量可靠性分析

以600 MW以上機(jī)組為例：熱電偶套管材質(zhì)大部分為00Cr19Ni10，主管道材質(zhì)大部分為P91，而P91具有較大的淬硬傾向，焊接時(shí)的首要問(wèn)題是淬火裂紋和推延裂紋，熱影響區(qū)具有強(qiáng)裂的淬硬傾向，并構(gòu)成很硬的馬氏體組織，焊接性差，焊接時(shí)需要采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施，才能防止冷裂紋的產(chǎn)生。

奧氏體不銹鋼熱膨脹系數(shù)比馬氏體鋼要大，而熱導(dǎo)率卻比馬氏體鋼小。即使通過(guò)焊后熱處理殘余應(yīng)力也難以消除。異種鋼焊接接頭不均勻的熱收縮性會(huì)重新產(chǎn)生殘余應(yīng)力，可能產(chǎn)生裂紋。

當(dāng)焊接接頭剛度大或氫量高時(shí)，在焊接應(yīng)力的作用下，由高溫直接冷卻很容易發(fā)生冷裂紋，含碳量越高，冷裂紋傾向越大；異種鋼在焊接時(shí)在高溫高壓下長(zhǎng)期運(yùn)行后熔合線兩側(cè)易產(chǎn)生組織過(guò)早老化，熱膨脹不匹配差異，易發(fā)生早期失效，國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)時(shí)間約為7萬(wàn)小時(shí)左右。

4 安裝焊接處理措施

1）焊接前對(duì)整個(gè)熱偶和母材進(jìn)行100%滲透檢驗(yàn)，按照J(rèn)B4730-2005 Ⅰ級(jí)合格，對(duì)整個(gè)熱偶測(cè)厚，保證最小厚度符合圖紙要求；對(duì)焊口進(jìn)行200℃-250℃的預(yù)熱處理，預(yù)熱部位只加熱P91母材側(cè)，焊接方法選用鎢極氬弧焊打底，電焊蓋面，分層施焊。焊絲選用TGS-9Cb，Ф2.4 mm；氬弧焊焊接電流宜控制為100 A-130 A，焊速為70 mm/min-75 mm/min；焊條選用AWSE9015-B9，Ф2.5-3.24 mm，電流宜控制為80 A-140 A，并嚴(yán)格控制焊道間溫度≦300℃，控制層間溫度不大于150℃，焊后的熱處理溫度和管子壁厚有直接關(guān)系，大直徑管道以壁厚每25 mm處理1 h。P91鋼對(duì)焊縫IV型裂紋敏感，因此，要盡量減少P91鋼材中的系統(tǒng)應(yīng)力，對(duì)壁厚大于12.5 mm的管道，要求在焊后冷到100℃以上即回火，焊后熱處理溫度為750±10℃

2）考慮到坡口形式對(duì)母材不易焊透和熔合比的影響，將原焊縫坡口打磨增大為45°，以增加焊接層次，減小熔合比。增大套管外徑，減小套管內(nèi)徑可以提高截面慣性矩，亦增加了結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以錯(cuò)開(kāi)共振危險(xiǎn)區(qū)。實(shí)際中增加套管外徑和壁厚，可以達(dá)到很好的效果。

3）安裝位置要科學(xué)合理，安裝位置錯(cuò)開(kāi)管道彎道、閥門、節(jié)流孔板附近，以防止速度擾動(dòng)，引起振動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）優(yōu)先選擇螺紋密封加焊接式裝配方式；現(xiàn)有的其他連接方式主要嚴(yán)格控制焊接裝配工藝，先通過(guò)對(duì)管座焊接結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)的分析，分別得出焊接裂紋出現(xiàn)的原因，為解決問(wèn)題提供前提條件。

2）合理選擇焊接工藝和焊接材料，對(duì)于異種鋼管接頭的焊接工藝操作特點(diǎn)是采用大坡口、小規(guī)范、小直徑焊絲，快速直流焊接，可以減少焊接熱輸入，從而有效地減小碳遷移過(guò)渡層的寬度。對(duì)施焊全過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督和控制。

3）加強(qiáng)運(yùn)行方式調(diào)節(jié)避免誘因發(fā)生

盡量維持系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性，防止參數(shù)變化幅度較大，在負(fù)荷低于15%時(shí)禁止減溫水投運(yùn)，系統(tǒng)開(kāi)啟投運(yùn)時(shí)，避免發(fā)生管道上閥門突然全開(kāi)情況。對(duì)投運(yùn)管道較長(zhǎng)的蒸汽管道要充分疏水，防止震動(dòng)；在系統(tǒng)剛投運(yùn)時(shí)，要緩慢地開(kāi)啟閥門，讓系統(tǒng)壓力逐漸上升，盡可能減小溫度計(jì)套管正面和背面的壓力差，避免套管因單向受力過(guò)大而導(dǎo)致套管斷裂事故發(fā)生。

通過(guò)我們優(yōu)化篩選找到了切實(shí)可行的處理方案，對(duì)保證火力發(fā)電廠機(jī)組安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]DL/T-2010火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程[S].

[2]于洪波，李霞.熱電偶套管斷裂的原因分析及預(yù)防措施[J].石油化工自動(dòng)化，2008.

[3]錢頌文，等.換熱流體誘發(fā)振動(dòng)基礎(chǔ)[M].武漢：華中工學(xué)院出版社，1988.

[4]李萌盛，等.電站鍋爐異種鋼接頭斷裂機(jī)理研究[J].華東電力，1997.

[5]彭鑫.湘潭電廠主蒸汽管道管座焊縫裂紋原因分析及處理[J].機(jī)械工人，2006.

作者簡(jiǎn)介

劉立海（1972-），男，工程師，畢業(yè)于東北電力學(xué)院，主要從事金屬檢驗(yàn)、理化檢驗(yàn)、監(jiān)督工作。endprint

摘 要 通過(guò)對(duì)火力發(fā)電廠主汽和再熱器、給水管道上安裝的熱工熱電偶套管出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題的研究分析，提出切實(shí)可行的處理建議，對(duì)保證300 MW-660 MW機(jī)組安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 熱電偶套管；開(kāi)裂；焊接；原因；建議

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）04-0077-02

火力發(fā)電廠主蒸汽、再熱器蒸汽管道、給水管道承受較高的溫度和壓力，特別是超臨界和超超臨界機(jī)組。經(jīng)過(guò)跟蹤統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)多個(gè)火電廠頻繁發(fā)生管道上熱電偶管座焊縫開(kāi)裂不安全事件，事件一旦發(fā)生輕則被迫停機(jī)停爐減少發(fā)電量影響負(fù)荷，重則高溫高壓管道發(fā)生爆炸，繼而導(dǎo)致重大人員傷亡、大型熱力設(shè)備損壞惡性事故，一旦發(fā)生事故將對(duì)國(guó)家造成無(wú)法彌補(bǔ)重大損失。

1 事故案例調(diào)查與統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)大唐集團(tuán)、華能集團(tuán)、國(guó)電集團(tuán)等6個(gè)集團(tuán)公司23家電廠調(diào)查統(tǒng)計(jì)，從1998年至2013年6月共計(jì)106起熱電偶套管角焊縫開(kāi)裂的不安全事件看，熱偶材質(zhì)一般采用奧氏體不銹鋼如1Cr18Ni9Ti、304、316等，母管材質(zhì)12Cr1MoV、P91等，異種鋼焊接，如果熱電偶套管與管道連接方式不合理或者安裝焊接質(zhì)量低下將對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生直接威脅。

統(tǒng)計(jì)表

容量

（MW） 總計(jì)

數(shù)量 主要材質(zhì) 漏泄

停機(jī) 材質(zhì)

原因 螺紋

密封式 角焊接

方式

占比 插接

方式 造成停機(jī)

處理占比

200 28 12Cr1MoV/

1Cr18Ni9Ti 22 5 1 89.3% 24 85.7%

300-350 36 12Cr1MoV/

1Cr18Ni9Ti 28 2 5 67% 19 52.7%

600-660 42 P91/

1Cr18Ni9Ti 33 3 12 55% 17 40.2%

合計(jì) 106 83 10 18 70.8% 60 60%

2 缺陷產(chǎn)生原因分析歸類

2.1 插接式結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量不過(guò)關(guān)是主要原因之一

插接式焊接方式是熱電偶套管連接比較普遍的一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)容易在交變應(yīng)力作用下，交變應(yīng)力應(yīng)力集中點(diǎn)的部位經(jīng)常斷裂。焊縫母材與熱電偶套管很近會(huì)造成應(yīng)力集中部位形成脆性相造成事故隱患；異種鋼焊接不容易選擇和兩者都相近的焊接材料，對(duì)輸入熱量也有不同要求，焊接工藝較為復(fù)雜，插入式角焊接式故障率最高，可靠性差。

焊縫母材管壁開(kāi)口側(cè)壁與熱電偶套管加工間隙小，破口開(kāi)度小，施工焊接時(shí)熔池狹小，熱容量低，焊接時(shí)預(yù)熱溫度保證不了時(shí)非常容易產(chǎn)生未熔合缺陷。

從安裝插件結(jié)構(gòu)看，管道加工開(kāi)孔一般都為梯椎柱孔，套管與管道母體不能完全接觸，使受力點(diǎn)完全由套管焊縫根部承受，焊縫根部承受的蒸汽沖擊應(yīng)力增大、應(yīng)力集中造成應(yīng)力疲勞開(kāi)裂。

應(yīng)力疲勞開(kāi)裂是焊縫裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的原因，具有短周期疲勞擴(kuò)展性質(zhì)。裂紋的產(chǎn)生是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和特殊載荷綜合影響的結(jié)果。

2.2 管道振動(dòng)過(guò)大和共振是造成熱電偶疲勞損壞是主要原因之一

流體流經(jīng)熱電偶套管時(shí)，誘發(fā)套管振動(dòng)，即套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率接近或一致，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這種振動(dòng)導(dǎo)致熱電偶套管的加速損壞，以致斷裂。周期性受蒸汽沖刷而振動(dòng)，夾套套管處存在交變沖擊載荷，促使焊縫處產(chǎn)生交變疲勞裂紋。套管本身有加工缺陷應(yīng)力再超過(guò)極限，運(yùn)行中在蒸汽的沖刷下容易造成斷裂。

2.3 螺紋密封式螺紋處漏泄故障率高

對(duì)于裝配螺紋預(yù)緊力有較高要求；過(guò)高過(guò)低都不可取，螺紋連接雖然避免了焊接加熱時(shí)對(duì)金屬組織性能的影響，但是要求套管與管座的連接緊密程度精度較高，若是連接松動(dòng)則可能發(fā)生泄露，也可能在蒸汽的交變應(yīng)力作用下劇烈振動(dòng)發(fā)生斷裂，而預(yù)緊力過(guò)大產(chǎn)生的扭矩應(yīng)力過(guò)度集中早期或初期就容易發(fā)生開(kāi)裂；因此不宜采用單純的螺紋連接，存在安全隱患。

3 安裝接質(zhì)量可靠性分析

以600 MW以上機(jī)組為例：熱電偶套管材質(zhì)大部分為00Cr19Ni10，主管道材質(zhì)大部分為P91，而P91具有較大的淬硬傾向，焊接時(shí)的首要問(wèn)題是淬火裂紋和推延裂紋，熱影響區(qū)具有強(qiáng)裂的淬硬傾向，并構(gòu)成很硬的馬氏體組織，焊接性差，焊接時(shí)需要采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施，才能防止冷裂紋的產(chǎn)生。

奧氏體不銹鋼熱膨脹系數(shù)比馬氏體鋼要大，而熱導(dǎo)率卻比馬氏體鋼小。即使通過(guò)焊后熱處理殘余應(yīng)力也難以消除。異種鋼焊接接頭不均勻的熱收縮性會(huì)重新產(chǎn)生殘余應(yīng)力，可能產(chǎn)生裂紋。

當(dāng)焊接接頭剛度大或氫量高時(shí)，在焊接應(yīng)力的作用下，由高溫直接冷卻很容易發(fā)生冷裂紋，含碳量越高，冷裂紋傾向越大；異種鋼在焊接時(shí)在高溫高壓下長(zhǎng)期運(yùn)行后熔合線兩側(cè)易產(chǎn)生組織過(guò)早老化，熱膨脹不匹配差異，易發(fā)生早期失效，國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)時(shí)間約為7萬(wàn)小時(shí)左右。

4 安裝焊接處理措施

1）焊接前對(duì)整個(gè)熱偶和母材進(jìn)行100%滲透檢驗(yàn)，按照J(rèn)B4730-2005 Ⅰ級(jí)合格，對(duì)整個(gè)熱偶測(cè)厚，保證最小厚度符合圖紙要求；對(duì)焊口進(jìn)行200℃-250℃的預(yù)熱處理，預(yù)熱部位只加熱P91母材側(cè)，焊接方法選用鎢極氬弧焊打底，電焊蓋面，分層施焊。焊絲選用TGS-9Cb，Ф2.4 mm；氬弧焊焊接電流宜控制為100 A-130 A，焊速為70 mm/min-75 mm/min；焊條選用AWSE9015-B9，Ф2.5-3.24 mm，電流宜控制為80 A-140 A，并嚴(yán)格控制焊道間溫度≦300℃，控制層間溫度不大于150℃，焊后的熱處理溫度和管子壁厚有直接關(guān)系，大直徑管道以壁厚每25 mm處理1 h。P91鋼對(duì)焊縫IV型裂紋敏感，因此，要盡量減少P91鋼材中的系統(tǒng)應(yīng)力，對(duì)壁厚大于12.5 mm的管道，要求在焊后冷到100℃以上即回火，焊后熱處理溫度為750±10℃

2）考慮到坡口形式對(duì)母材不易焊透和熔合比的影響，將原焊縫坡口打磨增大為45°，以增加焊接層次，減小熔合比。增大套管外徑，減小套管內(nèi)徑可以提高截面慣性矩，亦增加了結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以錯(cuò)開(kāi)共振危險(xiǎn)區(qū)。實(shí)際中增加套管外徑和壁厚，可以達(dá)到很好的效果。

3）安裝位置要科學(xué)合理，安裝位置錯(cuò)開(kāi)管道彎道、閥門、節(jié)流孔板附近，以防止速度擾動(dòng)，引起振動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）優(yōu)先選擇螺紋密封加焊接式裝配方式；現(xiàn)有的其他連接方式主要嚴(yán)格控制焊接裝配工藝，先通過(guò)對(duì)管座焊接結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)的分析，分別得出焊接裂紋出現(xiàn)的原因，為解決問(wèn)題提供前提條件。

2）合理選擇焊接工藝和焊接材料，對(duì)于異種鋼管接頭的焊接工藝操作特點(diǎn)是采用大坡口、小規(guī)范、小直徑焊絲，快速直流焊接，可以減少焊接熱輸入，從而有效地減小碳遷移過(guò)渡層的寬度。對(duì)施焊全過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督和控制。

3）加強(qiáng)運(yùn)行方式調(diào)節(jié)避免誘因發(fā)生

盡量維持系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性，防止參數(shù)變化幅度較大，在負(fù)荷低于15%時(shí)禁止減溫水投運(yùn)，系統(tǒng)開(kāi)啟投運(yùn)時(shí)，避免發(fā)生管道上閥門突然全開(kāi)情況。對(duì)投運(yùn)管道較長(zhǎng)的蒸汽管道要充分疏水，防止震動(dòng)；在系統(tǒng)剛投運(yùn)時(shí)，要緩慢地開(kāi)啟閥門，讓系統(tǒng)壓力逐漸上升，盡可能減小溫度計(jì)套管正面和背面的壓力差，避免套管因單向受力過(guò)大而導(dǎo)致套管斷裂事故發(fā)生。

通過(guò)我們優(yōu)化篩選找到了切實(shí)可行的處理方案，對(duì)保證火力發(fā)電廠機(jī)組安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介

劉立海（1972-），男，工程師，畢業(yè)于東北電力學(xué)院，主要從事金屬檢驗(yàn)、理化檢驗(yàn)、監(jiān)督工作。endprint