汽輪機(jī)高壓抗燃油管斷裂原因分析及預(yù)防措施

孫國(guó)強(qiáng)

(中國(guó)華電集團(tuán)有限公司河南公司，鄭州 450046)

0 引言

某電廠共有6臺(tái)煤電機(jī)組，其中600 MW機(jī)組2臺(tái)，300 MW機(jī)組4臺(tái)，汽輪機(jī)全部為同一國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)，液壓調(diào)節(jié)采用高壓抗燃油(EH油)，控制汽輪機(jī)主汽閥、調(diào)節(jié)閥、旁路系統(tǒng)以及給水泵汽輪機(jī)的配汽機(jī)構(gòu)，工作壓力控制在14.5 MPa左右，具有防火、靈敏、精度高的優(yōu)點(diǎn)。EH油系統(tǒng)在運(yùn)行中多次出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，主要表現(xiàn)為EH油管接頭或焊縫出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，嚴(yán)重影響機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 現(xiàn)狀概述

2015—2017年，6臺(tái)機(jī)組EH油管道的故障統(tǒng)計(jì)見表1。從表1數(shù)據(jù)來看，EH油管道故障主要集中發(fā)生在調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)控制塊與油管接頭位置，其次是在油管的焊縫位置，再次是油管穿過保溫層位置。

表1 2015—2017年6臺(tái)機(jī)組EH油管道故障統(tǒng)計(jì)

2 原因分析

2.1 管件對(duì)口方式不合理

國(guó)內(nèi)早期的EH油系統(tǒng)安裝，三通、直角彎頭等管件對(duì)口大部分采用套管形式，這種結(jié)構(gòu)便于管道對(duì)口安裝，焊接時(shí)從外部焊接，焊接塵渣不易進(jìn)入焊口內(nèi)部，有利于管道清潔。但近年來油管斷裂和裂紋的故障統(tǒng)計(jì)表明，這種結(jié)構(gòu)位置失效的占比最多。從斷管截面看，斷裂發(fā)生在活接根部套管加工臺(tái)階處；從斷件的金屬檢測(cè)方面看，斷面是典型的脆性斷裂，其具體原因主要有以下幾方面。

(1)廠家提供的《EH油管路安裝焊接工藝》，沒有插入式套管焊接的明確規(guī)定，導(dǎo)致在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)大部分不銹鋼管插入到管套內(nèi)部直接頂?shù)脚_(tái)階，未留間隙。這樣在正常運(yùn)行中，管套受熱后收縮，可能使插入管套內(nèi)的部分對(duì)管套臺(tái)階處產(chǎn)生一個(gè)擠壓應(yīng)力。

(2)管套內(nèi)部存在一個(gè)90°的加工臺(tái)階，是一個(gè)明顯的應(yīng)力集中區(qū)，特別是?14 mm管套的加工難度大，加工過程中退刀極易造成明顯劃痕，加大了應(yīng)力集中的可能，所以管套的臺(tái)階處是承受應(yīng)力集中的最薄弱區(qū)。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)閥各油管的溫度在60 ℃左右，管道熱膨脹使得套管內(nèi)部臺(tái)階處的擠壓應(yīng)力增大，加上外部振動(dòng)影響，導(dǎo)致套管在臺(tái)階處產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。

2.2 管道焊接工藝不良

為保持EH油清潔，油管道大都采用不銹鋼管，大部分材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，管材采用?57 mm×3.0 mm，?25 mm×2.5 mm，?32 mm×3.0 mm，?14 mm×2.0 mm等多種規(guī)格，焊接多用氬弧焊雙面氬氣保護(hù)。由于該不銹鋼的純度高、碳含量低，不存在純奧氏體鋼的焊接熱裂傾向，但含鈮鋼種相對(duì)具有較高的焊接熱裂傾向，在實(shí)際焊接過程中存在一些問題導(dǎo)致焊接質(zhì)量不良。例如：焊材規(guī)格更換而焊接電流沒有及時(shí)調(diào)整，造成焊接電流過大；雙面氬氣保護(hù)太繁瑣而人為削減了這道工藝流程；焊縫層間溫度控制不良，在高溫作用下產(chǎn)生聚碳導(dǎo)致晶間腐蝕裂紋；套管焊接時(shí)由于管徑差采用的角焊縫熔池少，影響焊接強(qiáng)度。

2.3 振動(dòng)引發(fā)管道疲勞破壞斷裂

大部分管道在出現(xiàn)裂紋和發(fā)生斷裂前都曾有過較長(zhǎng)時(shí)間、較高頻率和較大振幅的振動(dòng)，在活接根部造成較大的應(yīng)力變化，油管如同在做長(zhǎng)時(shí)間的疲勞破壞試驗(yàn)。而管道與活接在焊接時(shí)，由于焊接應(yīng)力及組織的影響，熱影響區(qū)造成管道和活接母材組織變硬變脆，是整個(gè)管道的最薄弱區(qū)。因此，在調(diào)節(jié)閥晃動(dòng)的情況下，焊縫根部附近最容易出現(xiàn)裂紋。

2.3.1 汽閥本體振動(dòng)牽連管道振動(dòng)

由于機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)，蒸汽壓力和調(diào)節(jié)閥開度都在實(shí)時(shí)變化，調(diào)節(jié)閥殼體在不斷振動(dòng)，而油動(dòng)機(jī)又固定在調(diào)節(jié)閥閥體上，導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)油管產(chǎn)生牽連振動(dòng)，使油管及活接承受較大的交變應(yīng)力。中壓調(diào)速汽閥油動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)閥的連接采用直拉式結(jié)構(gòu)，振動(dòng)沒有緩沖，直接傳遞到油動(dòng)機(jī)及油管，中壓油動(dòng)機(jī)以及中低壓缸連通管調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)布置位置高，油管道長(zhǎng)，管道支架相對(duì)剛性不足，容易和汽閥本體一起發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)致油管振動(dòng)，最終導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

2.3.2 伺服閥故障引起管道劇烈振動(dòng)

2.3.2.1 伺服閥零區(qū)特性差

伺服閥由于組成元件的結(jié)構(gòu)尺寸、電磁性能、流體力學(xué)特性和裝配方面的影響，在輸入電流為零時(shí)輸出流量并不為零，為了使輸出流量為零，必須預(yù)加一個(gè)輸入電流使伺服閥處于零位所需的輸入電流值與額定電流的百分比，稱為伺服閥的零偏。伺服閥的零偏對(duì)伺服閥的零區(qū)特性影響很大，零偏增大到一定程度會(huì)使伺服閥迅速失效，使伺服閥逐漸產(chǎn)生振動(dòng)，系統(tǒng)振蕩，系統(tǒng)頻響大幅度下降，嚴(yán)重時(shí)管路也會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致管路焊口接頭斷裂。

2.3.2.2 伺服閥分辨率差，靈敏度低

所謂伺服閥的分辨率，就是使伺服閥輸出流量發(fā)生變化所需的輸入電流的最小變化值與額定電流的百分比，也稱不靈敏度。分辨率差容易引起系統(tǒng)的擺動(dòng)和過調(diào)，使伺服閥不能很快響應(yīng)控制系統(tǒng)的指令,遲緩的調(diào)整造成系統(tǒng)晃動(dòng)和管道劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)管道在薄弱處出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。

2.3.2.3 伺服閥堵塞、閥芯磨損

伺服閥噴嘴、節(jié)流孔和濾芯堵塞引起系統(tǒng)零偏增大，引起系統(tǒng)頻響下降，導(dǎo)致伺服閥頻繁調(diào)整，同時(shí)伺服閥刃邊磨損、閥芯磨損也會(huì)導(dǎo)致伺服閥零偏、增益等指標(biāo)發(fā)生變化，致使伺服閥性能下降而引起管道振動(dòng)。

2.3.3 信號(hào)原因引起管道振動(dòng)

由于伺服閥線圈的信號(hào)電纜屏蔽不好，造成信號(hào)干擾，使伺服閥處于頻繁調(diào)節(jié)狀態(tài)，造成管道劇烈振動(dòng)。2個(gè)線性可變差分變壓器(LVDT)引起的差拍現(xiàn)象也會(huì)引起伺服閥頻繁調(diào)節(jié)，油流的沖擊使管道振動(dòng)。中壓閥采用油動(dòng)機(jī)直拉方式，LVDT的固定點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理，考慮到油動(dòng)機(jī)與調(diào)節(jié)閥桿的對(duì)中性問題，油動(dòng)機(jī)與調(diào)節(jié)閥桿連接采用了連接塊，油動(dòng)機(jī)活塞桿與連接塊為松連接，調(diào)節(jié)閥桿與連接塊通過兩半螺紋對(duì)夾為剛性連接。這樣就存在一個(gè)問題，LVDT固定在連接塊上，所以LVDT反映的信號(hào)摻加了連接塊由于松曠而產(chǎn)生的波動(dòng)信號(hào)，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥晃動(dòng)引起油管沖擊。同時(shí)，閥門控制卡(VCC卡)件的性能影響輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，如果卡件性能差，也會(huì)導(dǎo)致輸入伺服閥的信號(hào)波動(dòng)，使伺服閥頻繁參與調(diào)整，引起系統(tǒng)晃動(dòng)、管道振動(dòng)。

2.4 外部及內(nèi)部腐蝕

由于EH油管為奧氏體不銹鋼，對(duì)氯離子特別敏感，材質(zhì)不耐晶間腐蝕，EH油在運(yùn)行中由于高溫等影響，較高的環(huán)境溫度會(huì)加劇EH油裂化，造成酸值增加，電阻率減小，造成管道內(nèi)部腐蝕。由于布置空間狹小、施工工藝不良，部分管道被保溫及保溫泥接觸，而保溫泥中含有酸性成分，造成管道外部腐蝕，導(dǎo)致管道裂紋。部分管道支架固定工藝不良，不銹鋼和普通碳鋼支架接觸造成碳元素析出，也會(huì)導(dǎo)致管道腐蝕加劇。

3 防止管道斷裂的措施

3.1 加強(qiáng)管道安裝及焊接工藝管理

3.1.1 彎管要求

彎管時(shí)盡量增大彎曲半徑R，減少過急的彎管，管道彎制及其整個(gè)對(duì)接程序中不得出現(xiàn)熱加工，彎管時(shí)模具要合適，工藝要合理，盡量減少對(duì)管壁的損傷。增大彎管半徑可以有效降低沖刷。

3.1.2 焊接方式

采用對(duì)焊方式焊接，2根管口的間隙要保證在0.5～1.0 mm，坡口形成夾角在60°～70°之間(如圖1所示)。

圖1 坡口夾角

3.1.3 焊口及管套加工

采用插入式焊接的焊口，不能將小管插入到外套管內(nèi)的根部，必須留有1.0～1.5 mm的膨脹間隙(如圖2所示)，防止焊接后膨脹造成管道擠壓。加工管套時(shí)，臺(tái)階處盡量要圓弧過渡，減少大的應(yīng)力集中區(qū)，同時(shí)管套要適當(dāng)加厚。

圖2 膨脹間隙

3.1.4 不銹鋼定位焊

因不銹鋼熱膨脹系數(shù)較大，焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，組裝時(shí)要求采用嚴(yán)格的定位焊。對(duì)于d≤56 mm的管采用兩點(diǎn)定位，定位焊縫長(zhǎng)度3～5 mm。

3.1.5 焊接技術(shù)要求

(1)手工電弧焊時(shí)焊機(jī)采用直流反接，氬弧焊時(shí)采用直流正接，氬弧焊時(shí)鎢極為鈰鎢極，規(guī)格2.5 mm。

(2)焊前應(yīng)用砂布清除掉焊絲表面的氧化皮，并用丙酮清洗；焊條應(yīng)在烘箱內(nèi)300～350 ℃烘干4 h，隨取隨用。

(3)焊前將管件坡口兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)的油污等清理干浄，并用丙酮清洗坡口兩側(cè)25 mm范圍。

(4)氬弧焊焊接不銹鋼管件時(shí)，背面必須充氬氣保護(hù)，才能保證背面成形。管道內(nèi)部充氬流量為5～14 L/min，正面氬氣流量為12～13 L/min。

(5)打底焊時(shí)焊縫厚度應(yīng)盡量薄，與根部熔合良好，收弧時(shí)要成緩坡形，如有收弧縮孔，應(yīng)用磨光機(jī)磨掉。必須在坡口內(nèi)引弧熄弧，熄弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑，防止弧坑裂紋。

(6)因?yàn)樵摬讳P鋼為奧氏體不銹鋼，為防止碳化物析出敏化及晶間腐蝕，焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度和焊后冷卻速度，要求焊接時(shí)層間溫度控制在60 ℃以下，焊后必須立即冷卻(可用氬氣吹冷)，同時(shí)采用分段焊接[1]。

3.1.6 結(jié)果檢驗(yàn)

(1)外觀檢查無氣孔、焊瘤、凹陷及咬邊等缺陷，成形良好。

(2)對(duì)試件進(jìn)行拉伸、彎曲試驗(yàn)，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足要求，未發(fā)現(xiàn)未熔合和裂紋等缺陷。

3.1.7 焊后熱處理

加熱到850～950 ℃后快冷，可以焊后迅速用純凈水霧化水淬。

3.1.8 焊后探傷及壓力試驗(yàn)

焊接后每道焊縫要求100%射線探傷，投運(yùn)后進(jìn)行管道壓力試驗(yàn)。

3.2 加強(qiáng)設(shè)備巡檢維護(hù)，減少管道振動(dòng)

3.2.1 加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行檢查

運(yùn)行時(shí)加強(qiáng)設(shè)備檢查，及時(shí)檢查伺服閥的運(yùn)行狀況(是否晃動(dòng))及各參數(shù)(零偏、S值等)是否正常，定期更換系統(tǒng)中的濾芯，檢測(cè)伺服閥，如果伺服閥有故障應(yīng)及時(shí)更換，減少因伺服閥故障引起的管道振動(dòng)。

3.2.2 加強(qiáng)管道支架檢查維護(hù)

加強(qiáng)對(duì)管道支架的檢查維護(hù)，消除管道振動(dòng)源，制訂方案合理地加固支架，對(duì)部分振動(dòng)大的管道加裝橡膠阻尼套管，減緩振動(dòng)幅度和頻率，或把應(yīng)力分散，防止集中在焊口或管套等薄弱區(qū)。

3.3 加強(qiáng)油質(zhì)管理，減少對(duì)管道的腐蝕

3.3.1 加強(qiáng)EH油的檢驗(yàn)及管理

加強(qiáng)EH油的檢驗(yàn)及管理，使EH油的顆粒等級(jí)控制在NAS 5級(jí)范圍之內(nèi)，未經(jīng)檢驗(yàn)的EH油不論新舊不準(zhǔn)加入DEH之中。運(yùn)行中的EH油要對(duì)顆粒度、酸值、水分等理化指標(biāo)定期化驗(yàn)，定期處理。

3.3.2 改善油動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境

高壓調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)后部的保溫采用具有較好抗燃及較大隔熱系數(shù)的針刺毯作為保溫介質(zhì)，對(duì)油管及油動(dòng)機(jī)進(jìn)行隔熱，防止局部過熱，將油動(dòng)機(jī)安裝座由原來的保溫材料內(nèi)包改為外漏于空氣中，加強(qiáng)散熱。對(duì)新改造的機(jī)組，合理布置EH油管路，防止熱輻射、熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致的局部過熱。

3.3.3 采用新工藝

對(duì)于高壓調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)油缸過熱問題，可采用油缸上部加裝冷卻水套的方法降低油動(dòng)機(jī)油缸溫度，降低EH油的局部過熱。同時(shí)，改進(jìn)油動(dòng)機(jī)的安裝底座，把原先的全平板接觸改為肋板接觸，減少熱傳導(dǎo)面積，增加通風(fēng)，有效降低油動(dòng)機(jī)及EH油的局部過熱影響，降低EH油的酸值，減少對(duì)油管和伺服閥的腐蝕。

3.4 加裝止踩踏裝置

無論是在巡檢還是檢修過程中，工作人員有時(shí)會(huì)無意間踩踏EH油管，致使管道根部易產(chǎn)生裂紋或者斷裂。為了杜絕此情況，需要在易發(fā)生踩踏位置的管道上方加裝防止踩踏裝置。

4 結(jié)束語

EH油系統(tǒng)作為汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，管道是否安全嚴(yán)重影響著人身、設(shè)備安全和機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。從該廠近年來EH油系統(tǒng)管道發(fā)生的故障來看，絕大部分是由于管道安裝焊接工藝和管道振動(dòng)引起的，一般管道從小的振動(dòng)開始，一直到劇烈振動(dòng)，從小的裂紋開始，直至管道斷裂。管道安裝工藝改善和焊接工藝改進(jìn)后，同時(shí)采取了防止管道振動(dòng)的措施，較好地預(yù)防了管道裂紋和斷裂故障，保障了機(jī)組的長(zhǎng)期、安全運(yùn)行。