超超臨界鍋爐蒸汽取樣管座裂紋分析

劉恩生

(華電國際技術(shù)服務(wù)中心,山東 濟南 250014)

超超臨界鍋爐蒸汽取樣管座裂紋分析

劉恩生

(華電國際技術(shù)服務(wù)中心,山東 濟南 250014)

超超臨界發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,從采用引進技術(shù)設(shè)計到自主設(shè)計,再到完全自主設(shè)計,經(jīng)歷了設(shè)計國產(chǎn)化、工藝國產(chǎn)化、生產(chǎn)國產(chǎn)化、調(diào)試國產(chǎn)化的過程.發(fā)展過程中,尤其是初期,難免暴露出設(shè)計、安裝等方面的一些問題,值得后期建設(shè)機組借鑒和改進.其中,蒸汽取樣裝置作為重要附件,為機組控制系統(tǒng)提供了壓力、溫度等重要參數(shù)信息.但也由于所處高溫高壓環(huán)境、設(shè)計、安裝等方面原因引起了一些裂紋、泄漏等問題.分析了超超臨界機組鍋爐蒸汽取樣管座發(fā)生裂紋的原因,重點從應(yīng)力集中、焊接工藝和熱疲勞三方面進行了分析,并對解決措施進行了探討,提出了改進意見,為同類型機組提供了借鑒.

超超臨界機組;應(yīng)力集中;焊接工藝;熱疲勞

2006年11月,華能玉環(huán)電廠1號百萬千瓦機組的投運,標(biāo)志著我國百萬千瓦超超臨界工程設(shè)計、制造、建設(shè)技術(shù)的重大突破.十余年來,燃煤發(fā)電技術(shù)不斷創(chuàng)新,我國煤電超臨界/超超臨界機組無論容量、參數(shù)、效率、煤耗均達到世界領(lǐng)先水平,成為世界上具有超超臨界機組數(shù)量最多、蒸汽參數(shù)最高和供電煤耗最低的國家.

1 主蒸汽取樣管座裂紋泄漏

某電廠安裝了2臺高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐,鍋爐主蒸汽出口參數(shù)為26.25 MPa/605℃,最大連續(xù)蒸發(fā)量為3 033 t/h.主汽管道材質(zhì)為SA335-P92,主蒸汽管道出口在約73 m標(biāo)高處兩側(cè)各安裝一套蒸汽取樣裝置.取樣裝置由管座和取樣管組成.

取樣管材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti,管座材質(zhì)為SA-182F91.管座下端與主汽管道焊接,上側(cè)與取樣管接頭焊接.運行中發(fā)現(xiàn)取樣管管座漏汽,停爐處理.

1.1 原因分析

停機后檢查發(fā)現(xiàn),該泄漏取樣管角焊縫為制造廠家焊口,對管座接管及焊縫進行材質(zhì)復(fù)核,焊縫焊材為鎳基焊條,取樣管管座采用堆焊焊接方式,對取樣管斷面進行宏觀檢查,發(fā)現(xiàn)焊縫底部存在大量的夾雜物,且焊縫底部存在明顯的未焊透現(xiàn)象,斷面可見明顯的焊接波浪,焊縫與主蒸汽管道熔合較差,焊縫有效壁厚最小僅為10 mm,造成焊縫有效厚度較小,取樣管管座強度不足.

奧氏體鋼本身熱導(dǎo)率小、熔點低、線膨脹系數(shù)大,焊縫金屬高溫停留時間長,容易形成大的鑄態(tài)組織,并產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力,容易產(chǎn)生焊接應(yīng)力裂紋和應(yīng)力腐蝕開裂.該接頭在長周期的周期性加熱和冷卻狀態(tài)下工作,承受較大的周期性、較大的熱交變應(yīng)力,運行中在最薄弱部位首先產(chǎn)生裂紋,隨著運行時間的延長,裂紋不斷擴展,最終造成該取樣管開裂泄漏.

1.2 處理

對該管座割除,進行了重新焊接處理,并對另一側(cè)相應(yīng)取樣管座焊縫(裂紋對應(yīng)部位)進行焊接補強.對其他取樣管座宏觀檢查無異常,對4大管道等高溫高壓管道所屬的疏放水管座、取樣管座、熱電偶等附件管座,利用機組檢修機會進行滾動檢查探傷.

2 某機組取樣管座多處裂紋

2.1 裂紋情況

某超超臨界機組鍋爐型號為DG3000/26.15-Ⅱ型,主蒸汽參數(shù)及取樣裝置布置形式與上例相同.檢修期間,對鍋爐取樣管座焊縫進行著色探傷,發(fā)現(xiàn)爐左取樣管座角焊縫存在長1/3周長裂紋,爐右管座角焊縫存在長3/4周長裂紋.裂紋均位于取樣管與管座焊縫靠近管座側(cè)的焊縫熔合線處.

大修期間,對另一臺鍋爐蒸汽取樣管座焊縫進行滲透檢測,發(fā)現(xiàn)爐左取樣管座存在長60 mm的長裂紋,爐右管座存在長17 mm的長裂紋.裂紋均位于取樣管與管座焊縫靠近管座側(cè)的焊縫熔合線處.

2.2 原因分析

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),蒸汽取樣管固定為剛性固定且距離管座較近,管子缺乏柔性,由于主蒸汽管道熱態(tài)膨脹位移,取樣管膨脹不暢、受力變形彎曲,應(yīng)力得不到釋放,應(yīng)力集中到取樣管根部與管座焊縫處,隨機組長時間運行逐步開裂,是管座裂紋的主要原因.

1Cr18Ni9Ti材質(zhì)的不銹鋼管接頭與F91材質(zhì)管座材料線膨脹系數(shù)不同,在熱應(yīng)力作用下易出現(xiàn)裂紋,是管座裂紋的另一原因.閥門在運行時是常關(guān)的,管內(nèi)存在溫度較低的積水,與主管道內(nèi)部高溫蒸汽形成溫度差,冷熱過渡區(qū)域容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋,促進了裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展.

2.3 處理改造情況

2.3.1 消除膨脹受阻

膨脹受阻后應(yīng)力集中,管座焊縫極易疲勞失效斷裂,存在很大的安全隱患.因此對主給水取樣管進行改造,在管座與取樣一次門之間增加1只膨脹彎,以增大取樣管的膨脹量.在新加裝膨脹彎的水平段加裝剛性支吊架,支吊架與取樣管連接處用不銹鋼鐵皮隔離.

2.3.2 挖除角焊縫裂紋

將角焊縫裂紋挖除,按照圖紙尺寸制備坡口,并對坡口表面進行滲透探傷檢查,無缺陷后,用鎳基焊絲恢復(fù)焊接.焊后對接管座焊縫及熱影響區(qū)進行局部熱處理.熱處理參數(shù)以F91管座為主,按照DL/T 819-2010標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,熱處理溫度為(760±5)℃.

3 改進建議

為減少或消除取樣管裂紋問題,建議從以下幾方面入手.

3.1 優(yōu)化焊接工藝

正確引進焊接材料,調(diào)整焊縫化學(xué)成分;控制焊縫金屬組織,并采用合理的焊接工藝參數(shù),小熱量輸入,控制層間溫度.

3.2 運行操作注意事項

操作時,取樣人員首先沖洗取樣器和取樣管路、冷卻器,閥門開啟速度和開度大小應(yīng)適當(dāng),過快或過大都會造成取樣管內(nèi)蒸汽流速急速增加,取樣管與主管道產(chǎn)生很大的壓差,壓力作用于管接頭與取樣管的角焊縫上,會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴大.

3.3 注重材質(zhì)的選用

為了避免異種鋼焊接問題,部分電廠嘗試將主汽取樣管的材質(zhì)改造為與管座材質(zhì)相同,雖然焊接的可靠性提升,但在符合取樣管材質(zhì)相關(guān)要求方面值得商榷.電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水汽集中取樣分析裝置驗收導(dǎo)則》(DLT 665-2009)規(guī)定,樣品流經(jīng)的管路和部件應(yīng)能滿足所承受的壓力、溫度等參數(shù)要求,使用抗腐蝕、不污染水樣的材料,超超臨界機組高溫高壓段宜采用00Cr17Ni14Mo2(SUS316L/TP316L)無縫不銹鋼材質(zhì),其他熱力參數(shù)機組可選用1Cr18Ni9Ti(321)或00Cr19Ni11(AISI304L).在進行蒸汽取樣裝置改造時,應(yīng)兼顧化學(xué)、鍋爐不同方面的規(guī)定要求,采用加一段短管的形式是一個可折衷的方案.

3.4 加大檢查、調(diào)整力度

加大4大管道、管系支吊架的檢查、調(diào)整力度,盡可能地消除附加在管道上和膨脹受阻所產(chǎn)生的附加應(yīng)力,在空間彎管的設(shè)計上應(yīng)盡可能地保證可以完全吸收機組熱態(tài)運行下的空間位移量.

3.5 嚴(yán)格控制和執(zhí)行正確的熱處理工藝

所有高壓管道焊接后應(yīng)嚴(yán)格控制和執(zhí)行正確的熱處理工藝,盡可能地消除焊縫及焊接熔合線附近的殘余應(yīng)力,并保持檢測硬度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)和相鄰部位的均勻性.

[1]王俊.A335P91主蒸汽管道取樣管焊接工藝[J].內(nèi)蒙古石油化工,2014(3):79-80.

[2]唐麗英,康豫軍,周榮燦,等.超超臨界機組主蒸汽取樣管IV型開裂[C]//清潔高效燃煤發(fā)電技術(shù)協(xié)作網(wǎng)年會,2009.

[3]彭欣.300 MW鍋爐主蒸汽管道取樣管二次門焊縫失效

分析及處理[J].金屬加工(熱加工),2013(2):46-48.

劉恩生(1976-),男,碩士,高級工程師,從事電廠技術(shù)研究技術(shù)服務(wù)工作.

〔編輯:劉曉芳〕

TG441.7

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