火電機組EH油管道泄漏典型案例分析及防范措施

王甲安，王興合，張瑞臣，賀軍，馬龍信，郭佳雷

（1.華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2.中國華電集團有限公司，北京市 西城區(qū) 100031）

0 引言

汽輪機EH油系統(tǒng)作為機組重要的調節(jié)保安系統(tǒng)，其可靠性直接關系到機組的正常調節(jié)運行，極端情況下會影響電廠主設備及全廠的重大安全，甚至造成發(fā)電機組非計劃停運[1-4]。油系統(tǒng)管道連接供油系統(tǒng)、危急遮斷系統(tǒng)與執(zhí)行機構，構成回路，其作為油介質的傳輸通道，直接關系到EH油系統(tǒng)中油介質的流通傳遞，一旦油系統(tǒng)管道發(fā)生泄漏，將直接造成發(fā)電機組非計劃停運，讓企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟效益與社會效益損失。

EH油管道主要采用不銹鋼材質(0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等)，外徑較小，一般在Φ14～Φ32 mm，管壁厚度為 2～4 mm，正常運行時系統(tǒng)壓力一般在14.5 MPa左右，最高可達16 MPa，由于EH油管道管徑小、壁薄、工作壓力高，對管子材質質量、焊接質量及結構布置要求比較高。EH油管道受機組振動、管夾固定不良以及壓力油波動等因素影響，會產(chǎn)生頻繁的振動現(xiàn)象，加之在基建階段EH油管道穿越空間大、走向復雜、不便排查的特點，對機組的安全穩(wěn)定運行埋下了隱患。

近期，某集團公司發(fā)電企業(yè)發(fā)生了多起 EH油管道破裂泄漏導致機組非計劃停運事件，本文結合這幾起典型案例，總結概括了EH油管道常見的幾類失效機制，主要有材質質量缺陷、焊接質量缺陷、疲勞斷裂以及腐蝕等，并結合每個典型案例，簡單介紹了其失效分析過程及要點，重點從技術監(jiān)督角度提出治理和防范措施，治理和防范措施具體到相應的檢查方法和檢查內容，切合現(xiàn)場，以供參考。

1 材質質量缺陷

材質質量缺陷是指金屬材料在初始狀態(tài)下其自身存在的原始缺陷，主要包括錯用材料以及加工制造缺陷等[5-6]。對于在役機組，由于檢驗工作量大、面廣，檢驗方法針對性不強等因素，找出材質質量缺陷的難度很大，特別是加工制造類缺陷，通過常規(guī)的現(xiàn)場檢驗檢測手段更加難以發(fā)現(xiàn)，因此，建議利用檢修期，制定動態(tài)的隱患排查計劃，采取多種檢驗手段相結合的方式，包括取樣進行實驗室分析，排查加工制造類缺陷隱患。對于錯用材料的情況，可利用光譜分析儀進行排查。另外，最好能夠在基建期間嚴把安裝前質量的檢驗檢測工作，關口前移，保證機組不“帶病”運行，同時，加強材料的入庫驗收、保管、領用的監(jiān)督管理，按照相關標準[7-9]要求，切實做好材料的檢驗檢測。

2017年9月24日某電廠2號機組(600 MW)發(fā)生EH油管泄漏，位于彎管處中性面位置，呈縱向開裂。油管道規(guī)格為Φ16×2 mm，材質為0Cr18Ni9不銹鋼管。首先進行了化學成分分析，成分無異常，外觀檢查，發(fā)現(xiàn)彎管內、外表面有多處明顯制造劃痕，部分劃痕縱向延伸至整個管件。微觀組織分析組織正常，為正常奧氏體組織，未見晶間腐蝕裂紋，但存在大量帶狀缺陷，在服役過程中，這些帶狀組織缺陷易成為裂紋源，使材料發(fā)生失效開裂，降低了材料的使用壽命。維氏硬度檢測結果表明油管的彎管部分的維氏硬度值已經(jīng)超出標準要求。分析認為，該泄漏的主要原因是材質質量缺陷，微觀組織存在大量帶狀缺陷，彎管表面質量差，隨著時間的推移，缺陷擴大最終導致EH油管道泄漏。

2 焊接質量缺陷

焊接質量缺陷，主要包括裂紋、未焊透、未熔合、咬邊、氣孔、焊瘤等缺陷，這些缺陷存在于金屬基體中，減少了焊縫截面積，降低了基體承載能力，產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，在應力的作用下，缺陷逐漸發(fā)展，最終導致基體開裂[5]。焊接質量受坡口形式、母材、焊材、焊接工藝、熱處理工藝以及焊工技術水平等因素影響較大。由于 EH油管管徑小、管壁薄，焊接時大多采用承插焊接方式，承插焊類似于角焊縫，具有一定的焊接強度，但焊后應力狀況不好，易發(fā)生焊接未焊透，另外，EH油管安裝空間小，現(xiàn)場焊接施工較困難，在焊接過程中容易發(fā)生焊縫焊接工藝控制不佳，造成焊接質量差，勢必導致焊縫應力集中傾向增加，加速焊接失效。針對焊接質量缺陷，可通過加強焊材質量監(jiān)督、焊接過程監(jiān)督，提高焊工技術水平等有效手段來保證焊接質量，后期可以通過采用合適的檢驗檢測方法及時發(fā)現(xiàn)缺陷。

2017年7月4日某電廠3號機組發(fā)生EH油管泄漏，檢查人員就地檢查，發(fā)現(xiàn)EH油A泵出口管道(規(guī)格Φ25×2.5mm、材質 1Cr18Ni9Ti)至出口濾網(wǎng)前活節(jié)焊縫熔合線處開裂，見圖 1。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)該管道與活節(jié)采用承插式焊接方式，焊口采用單道焊接，未采取多層多道的焊接成型方式，造成焊口存在較大的殘余應力。射線檢測結果表明該類承插式焊縫存在未焊透缺陷。對該插接接頭縱向剖開后，宏觀檢查發(fā)現(xiàn)焊縫部位的管子內壁存在焊瘤缺陷，表明焊接工藝控制不佳，再加上焊接時未留有膨脹間隙帶來的膨脹附加應力，造成在熔合線處產(chǎn)生明顯的微裂紋，繼而在管道持續(xù)的低幅度振動作用下，最終導致在焊縫處開裂。

圖1 EH油管道承插式焊接宏觀形貌圖Fig. 1 Macro-morphology of EH oil pipeline socket welding

3 疲勞斷裂

疲勞斷裂是指金屬部件在交變應力的作用下，首先在局部應力集中或強度較低部位產(chǎn)生裂紋，裂紋隨后擴展導致的斷裂[5]。疲勞斷裂時無明顯的塑性變形，引起疲勞斷裂的應力很低，通常都是低于靜載時的屈服強度，其微觀形貌能清楚地顯示疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和終斷區(qū)。疲勞斷裂具有在時間上的突發(fā)性，在位置上的局部性及對環(huán)境和缺陷的敏感性等特點，故疲勞斷裂常不易被及時發(fā)現(xiàn)且易于造成事故。

圖2 斷口掃描電鏡圖Fig. 2 SEM image of the fracture

2017年6月21日某電廠1號機組因EH油管泄漏造成機組非計劃停運。該EH油管材質為1Cr18Ni9Ti，規(guī)格為Φ14×2.5 mm，首先進行了化學成分分析，成分無異常，宏觀檢查，斷口表面凹凸不平，較為粗糙，存在明顯區(qū)域性特征。對斷口進行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)斷口存在明顯的疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和終斷區(qū)。圖2為斷口在掃描電鏡下的微觀形貌圖，可見疲勞擴展區(qū)存在明顯疲勞輝紋，終斷區(qū)有明顯突起及變形跡象，微觀呈韌窩斷口形貌，屬于典型的疲勞斷裂[4-5]。為進一步查找疲勞斷裂的原因，對斷口試樣進行了金相組織分析，母材組織為正常奧氏體組織，焊縫區(qū)金相組織明顯粗大，熔合區(qū)附近晶界較粗大，表明該焊縫焊接工藝控制不佳，焊接線能量過大，焊接質量差，勢必導致該焊縫應力集中傾向增加。該斷口所處位置位于EH油管道接頭螺母旁，距離中調門閥很近，本身在服役狀態(tài)下就是應力相對集中區(qū)，而內部又承受了15 MPa的工作油壓，加上焊接工藝控制不良帶來的附加應力，繼而在持續(xù)受到機組振動帶來的直接或間接的低周交變應力作用下，最終導致在薄弱部位開裂、擴展，直至完全斷裂。

4 腐蝕

EH油系統(tǒng)的正常工作油溫為 21～60 ℃，運行中一般控制在43～55 ℃，當EH油局部過熱時，就可能產(chǎn)生氧化，導致酸值增加變質，對伺服閥、電磁閥、管道等產(chǎn)生腐蝕。統(tǒng)計歷年EH油管道泄漏事件，EH油管道因腐蝕原因造成泄漏的情況并不多見，但是，因EH油酸值、水分、顆粒度升高造成油質下降進而影響系統(tǒng)的正常運行的事件時有發(fā)生，運行人員應加強對EH油取樣化驗監(jiān)督，如發(fā)現(xiàn)油中酸度、電阻率、水分、顆粒度等嚴重超標時，應及時進行換油處理。

2018年 1月28日某電廠 11號機組發(fā)生了GV3油動機EH安全油管道彎頭內側因腐蝕導致漏油，造成 EH油壓低機組非計劃停運。該 EH油管道彎頭漏點處最靠近主汽門的殼體，運行溫度相對較高，在高溫的長期作用下，EH油發(fā)生變質，并結成油垢沉積在彎頭局部管壁上，隨著油垢的濃度和酸度大幅增加，較高的溫度又加快了腐蝕，形成腐蝕坑，最終穿透管壁而發(fā)生泄漏。通過對該彎頭縱向剖開宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)在油管彎頭處存在長約6 cm左右的黑色硬質碳化物，清理后，有2個5 mm左右的腐蝕坑，其中有一個腐蝕坑已完全穿透管壁造成本次事件。

5 結論與建議

EH油管道作為油介質的傳輸通道，直接關系到EH油系統(tǒng)中油介質的流通傳遞，一旦油系統(tǒng)管道發(fā)生泄漏，將直接造成發(fā)電機組非計劃停運。本文結合幾起典型案例，從金屬材料角度，概括了EH油管道常見的幾類失效機制，主要有材質質量缺陷、焊接質量缺陷、疲勞斷裂以及腐蝕等。各發(fā)電企業(yè)應高度重視EH油系統(tǒng)管道的監(jiān)督、檢驗和診斷，超前預測EH油管道的缺陷和隱患，全面提高EH油管道的安全穩(wěn)定。

1）重視對EH油管道的監(jiān)督檢驗，全面梳理基建期間及在役運行階段EH油管道等機、爐外小管及壓力容器技術檔案，建立健全技術檔案，動態(tài)管理。技術檔案至少應包括系統(tǒng)名稱、安裝部位、管道(及閥門)、規(guī)格及長度、彎頭數(shù)量及位置、使用材質、焊口數(shù)量及位置，檢驗及更換記錄等等，必要時應有管線圖。

2）組織排查EH油管道是否存在焊縫質量缺陷、管道異常振動、管道布置不合理、管道材質缺陷、與熱源安全距離不足、管道支吊架異常情況等問題，發(fā)現(xiàn)問題要及時采取有效的防范措施。

3）加強EH油管道振動監(jiān)測與治理。EH油管道受機組振動、管夾固定不良以及壓力油波動等因素影響，會產(chǎn)生頻繁的振動現(xiàn)象，應避免管道和焊縫長期處在振動較大的工況下運行，及時治理，消除隱患。

4）加強對EH油管道焊縫的檢驗檢測，特別是插入式焊接結構形式的三通焊縫、結構突變部位焊縫的檢測，檢測時應優(yōu)先選用射線探傷與滲透探傷結合的方式，如檢測空間允許，進行射線探傷時應采用2次透射的方式(2次透射角度相差90°)，以提高缺陷檢出率。

5）加強EH油管的焊接監(jiān)督：對于性能不良、存在缺陷的焊口進行更換，更換時，優(yōu)先采用對接形式，加強焊工技術資格的審查，嚴格執(zhí)行焊接工藝要求，焊接過程應有專人進行質量監(jiān)督，加強過程質量控制。焊后對焊口進行100%檢驗。

6）加強新更換EH油管的檢驗。更換的新管必須按照相關標準的要求經(jīng)檢驗合格后方可投入使用。其化學成分、規(guī)格尺寸應符合要求，無表面質量缺陷，必要時，應取樣進行微觀組織、力學性能、工藝性能的檢驗。