某450 MW燃機(jī)冷再三通裂紋原因分析與處理

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(華電電力科學(xué)研究院有限公司，濟(jì)南 250014)

0 引言

隨著調(diào)峰需求和環(huán)保要求的提高，燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡稱燃機(jī))機(jī)組在國內(nèi)容量明顯增加。燃機(jī)具有啟停速度快的特點(diǎn)，同樣容量機(jī)組的啟停損耗較燃煤機(jī)組(以下簡稱煤機(jī))損耗少，在燃機(jī)與煤機(jī)共存的區(qū)域，一般選擇燃機(jī)為調(diào)峰機(jī)組,在夜間由于工廠用電量和用汽量削減，燃機(jī)機(jī)組的啟停較煤機(jī)機(jī)組更為頻繁，導(dǎo)致燃機(jī)機(jī)組問題高發(fā)，造成機(jī)組壽命一定程度的減少。

A335P11鋼是電力工業(yè)中廣泛使用的鋼種,其配管和焊接等工藝性能良好。此類低合金鋼類鋼種由于坡口形式和管系應(yīng)力疊加使焊縫性能大幅降低而造成機(jī)組停機(jī)，在煤機(jī)鍋爐房管道中并不少見，而在燃機(jī)汽機(jī)房內(nèi)并不常見，可以參考的經(jīng)驗(yàn)并不多，因此，對(duì)所發(fā)現(xiàn)的此類焊接裂紋問題進(jìn)行深入分析研究具有重要意義。

1 事件介紹

某電廠一期工程配置2套F級(jí)(2×450 MW)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，#2機(jī)組于2017年9月20日完成168 h滿負(fù)荷試運(yùn)行，正式投入運(yùn)行；#4機(jī)組于2017年10月10日完成168 h滿負(fù)荷試運(yùn)行，正式投入運(yùn)行。

2018年6月3日啟機(jī)時(shí)(累計(jì)運(yùn)行2 438 h)，發(fā)現(xiàn)#2機(jī)組汽機(jī)房6 m層高溫再熱蒸汽冷段管道(以下簡稱冷再)三通處有蒸汽冒出，于是立即申請(qǐng)停機(jī)。停機(jī)后對(duì)該處拆保溫檢查，發(fā)現(xiàn)冷再三通#2焊口(?559×19/A335P11)沿坡口熔合線開裂，開裂側(cè)表面有300 mm的表露裂紋，裂紋已經(jīng)貫穿；三通另一側(cè)#1焊口(?559×19/A335P11)經(jīng)超聲波檢測存在500 mm的根部裂紋，未表露至表面。

2 原因分析

2.1 施工因素判斷

結(jié)合1個(gè)月前#4機(jī)組(運(yùn)行1 764 h)在汽機(jī)房6 m層冷再三通同樣位置發(fā)生過同樣的泄漏，#4機(jī)組泄漏位置為高壓旁路(以下簡稱高旁)三通的兩側(cè)，泄漏焊口為#2焊口和#3焊口，泄漏點(diǎn)位于三通上距離焊縫熔合線10 mm處。

由于在同樣的位置發(fā)生同樣的泄漏，初步判斷與上次原因相同。待現(xiàn)場扒開保溫后，發(fā)現(xiàn)高旁三通#2焊口(如圖1所示，#2焊口為供熱三通與高旁三通直接對(duì)接焊口)在1點(diǎn)鐘至5點(diǎn)鐘位置沿焊縫融合線開裂，在裂紋的一段存在一處打磨點(diǎn)，打磨點(diǎn)上可見裂紋15 mm左右，初步推斷為焊接及熱處理施工原因造成，隨后查閱安裝原始資料，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖1 管系布置Fig.1 Configration of pipes

2.2 擴(kuò)大性檢查

考慮可能有裂紋缺陷未表露，對(duì)高旁閥后至冷再三通附近的焊口進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)和磁粉檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，供熱三通#1焊口(如圖1所示)也同樣存在裂紋，裂紋(1點(diǎn)鐘至5點(diǎn)鐘方向)長度為580 mm，此焊口裂紋未貫穿，裂紋起始點(diǎn)始于坡口根部；同樣，對(duì)#2焊口進(jìn)行超聲波檢測，發(fā)現(xiàn)根部不可目視裂紋長度較表露裂紋長，據(jù)此可以判斷裂紋是從根部開裂。#4機(jī)組之前發(fā)生的是同樣問題。裂紋的初始點(diǎn)并未發(fā)生在焊縫上，而是在閥門內(nèi)壁坡口附近，沿閥體內(nèi)壁坡口向內(nèi)延伸約15 mm處由于加工減薄而減薄面與未減薄面形成尖銳夾角，內(nèi)表面結(jié)構(gòu)尺寸不滿足要求，結(jié)構(gòu)存在突變，造成變截面應(yīng)力集中。

2.3 位移量超標(biāo)

在供熱三通處有一標(biāo)定角鐵支架(標(biāo)定角鐵支架坐落于支撐鋼架上，與管道沒有實(shí)際連接)與供熱三通外保溫鐵皮接觸，在接觸面發(fā)現(xiàn)有滑動(dòng)摩擦痕跡約75 mm。借此可以推斷，在機(jī)組運(yùn)行過程中，三通處存在管系膨脹且位移較大，與設(shè)計(jì)不符(原設(shè)計(jì)為18 mm)。

2.4 限位支架變形

根據(jù)第2.3分析，若存在管系位移，應(yīng)該不止1個(gè)點(diǎn)受到影響。對(duì)三通附近的限位支架初步判斷并拆保溫后，發(fā)現(xiàn)在汽機(jī)房外冷再管道上有一處水平管X向恒力限位支架的抱箍變形扭曲，一側(cè)較為嚴(yán)重，已將支架在垂直方向抱箍壓扁變形。據(jù)此可以推斷，此處管道兩側(cè)受力不對(duì)稱，原因可能是支吊架選型、吊點(diǎn)設(shè)置或吊架安裝等方面有誤，致使管系局部受力情況與設(shè)計(jì)初衷不符。

2.5 初步判斷

根據(jù)目前統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，近年來國內(nèi)此類低合金管道A335P11管件很少由于焊縫本身焊接質(zhì)量的原因發(fā)生開裂。

由于燃機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)容量一般較煤機(jī)機(jī)組偏小，設(shè)計(jì)參數(shù)也較低，且部分設(shè)計(jì)借鑒了國外機(jī)組的設(shè)計(jì)，有時(shí)為了節(jié)約場地或受到業(yè)主要求而追求空間上的美觀，不可避免地出現(xiàn)管系局部應(yīng)力集中。

該處焊縫出現(xiàn)在焊接接頭熱影響區(qū)，連接的三通異形結(jié)構(gòu)容易造成應(yīng)力集中，可能存在熱處理不充分，殘余應(yīng)力、收縮應(yīng)力集中，在冷熱蒸汽及積水等交變應(yīng)力作用下，焊縫熔合線及母材倒角等管道最薄弱位置極易形成疲勞裂紋源，致使焊接熱影響區(qū)開裂。

通過以上分析得出，此次泄漏的主要原因?yàn)椋合尬恢Ъ懿糠殖休d能力失效，致使管系受到額外附加應(yīng)力，并在管系的相對(duì)薄弱位置累計(jì)，產(chǎn)生應(yīng)力集中致使焊縫開裂。由于坡口內(nèi)表面加工減薄，減薄面與未減薄面形成尖銳夾角，內(nèi)表面結(jié)構(gòu)尺寸不滿足要求，結(jié)構(gòu)存在突變，造成變截面應(yīng)力集中，加劇了薄弱點(diǎn)開裂的傾向，并縮短了開裂時(shí)間。

3 解決方案

由于目前處于工業(yè)用電和用汽的高峰期，機(jī)組無法長期停機(jī)，根據(jù)目前的實(shí)際情況提出了以下解決方案。

(1)立即向原支吊架廠家采購?fù)瑯有吞?hào)的限位支架，并在機(jī)組啟動(dòng)前更換完畢。

(2)檢查該管系的其他支吊架是否仍有未探明膨脹受阻因素并消除。

(3)立即對(duì)本機(jī)組高旁閥后混合段至出口三通管段內(nèi)表面進(jìn)行金屬疲勞損傷檢查，對(duì)于超標(biāo)缺陷立即進(jìn)行處理。

(4)立即對(duì)開裂焊口進(jìn)行挖補(bǔ)修復(fù)，施工過程嚴(yán)格執(zhí)行焊接及熱處理工藝。

(5)對(duì)汽機(jī)房內(nèi)高旁三通、汽機(jī)房外冷再管道彎頭等位置加裝膨脹指示器，對(duì)管系的膨脹位移量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)視機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

(6)根據(jù)各膨脹指示器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，由設(shè)計(jì)院分析管系受力情況，并提出管系布置及支吊架受力調(diào)整方案，待機(jī)組停機(jī)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

4 方案實(shí)施及效果

4.1 缺陷消除

由于三通的兩側(cè)焊口均已從根部開裂，且一側(cè)裂紋已經(jīng)貫穿，無法通過挖補(bǔ)消除缺陷，故采用坡口自動(dòng)切割機(jī)對(duì)三通兩側(cè)的開裂焊縫進(jìn)行整體割除。挖補(bǔ)前對(duì)開裂焊口的兩邊的管道及三通采用手拉葫蘆進(jìn)行加固，防止挖補(bǔ)過程中管道突然斷開，對(duì)周圍的人員和設(shè)備造成傷害。待整條原始焊縫完全打磨消除完畢后，重新對(duì)口焊接前將閥門內(nèi)側(cè)坡口的加工倒角處打磨處理至圓滑，消除應(yīng)力集中點(diǎn)。

4.2 焊口焊接及熱處理

由于缺陷焊縫已完全消除，故可以按照全新焊口的施工程序進(jìn)行施工。由于修復(fù)的兩個(gè)焊口在同一直線上，且距離較近，若同時(shí)焊接容易造成應(yīng)力損傷，故對(duì)兩個(gè)焊口按先后順序進(jìn)行焊接，待#1焊口焊接完畢后，再進(jìn)行三通另一側(cè)#2焊口的焊接，待兩個(gè)焊口全部焊接完畢后，同時(shí)進(jìn)行焊后熱處理。

焊接前采用電加熱預(yù)熱對(duì)焊口進(jìn)行預(yù)熱，焊接過程中依據(jù)DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》[1]采用多層多道焊焊接工藝(焊接參數(shù)見表1)進(jìn)行焊接，焊后依據(jù)DL/T 819—2010《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》[2]對(duì)焊縫立即進(jìn)行焊后熱處理(熱處理參數(shù)見表2)。

表1 焊接參數(shù)Tab.1 Welding parameters

表2 熱處理參數(shù)Tab.2 Heat treatment parameters

4.3 焊口檢驗(yàn)

待兩個(gè)焊口全部焊后熱處理完畢并降至室溫后[3]，依據(jù)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》對(duì)兩個(gè)焊口進(jìn)行超聲波探傷(UT)檢驗(yàn)和磁粉探傷(MT)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果質(zhì)量等級(jí)均為Ⅰ級(jí)合格。

使用HT-2000A便攜式里氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果見表3、表4[4]，符合DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的合格標(biāo)準(zhǔn)。

表3 硬度檢測數(shù)據(jù)1Tab.3 Hardness test data 1 HB

表4 硬度檢測數(shù)據(jù)2Tab.4 Hardness testdata 2 HB

4.4 運(yùn)行監(jiān)測

對(duì)返修處的管道保溫進(jìn)行恢復(fù)后，在高旁三通、汽機(jī)房外冷再管道彎頭、高壓排汽管道支管分叉等位置加裝膨脹指示器，對(duì)管系的膨脹位移量進(jìn)行監(jiān)測，與機(jī)組啟停、供熱管道投運(yùn)、負(fù)荷變化等情況對(duì)比記錄。

5 建議

在機(jī)組停機(jī)時(shí)，加強(qiáng)廠內(nèi)在運(yùn)其他機(jī)組同結(jié)構(gòu)類型焊接接頭的金屬監(jiān)督力度，并進(jìn)行擴(kuò)大性檢查(包括表面質(zhì)量檢測和內(nèi)部質(zhì)量檢測)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理并制定相應(yīng)的防范措施。對(duì)于同結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計(jì)，建議申請(qǐng)進(jìn)行技術(shù)改造，聯(lián)系設(shè)計(jì)院對(duì)管系的應(yīng)力分布重新進(jìn)行計(jì)算、分析，檢查并合理分配調(diào)整支吊架的載荷平衡，確保管系應(yīng)力分配合理。

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)冷再三通坡口結(jié)構(gòu)形式和焊縫開裂情況進(jìn)行分析，并對(duì)支吊架現(xiàn)場檢查和與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)比對(duì)，確定了某450 MW燃機(jī)機(jī)組冷再三通開裂的原因，并對(duì)焊口缺陷進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于深層次的應(yīng)力來源，設(shè)置了有效的膨脹監(jiān)測指示器，為機(jī)組后續(xù)技術(shù)改造升級(jí)，提供了有效的數(shù)據(jù)來源。