關(guān)于主蒸汽管道裂紋產(chǎn)生原因分析及處理對(duì)策的探討

丁超

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院佛山檢測(cè)院，廣東 佛山 528000）

1 案例分析

本文以南方某公司的檢驗(yàn)報(bào)告為例，該公司在進(jìn)行電鍋爐壓力管道的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，5#爐的主蒸汽管道出現(xiàn)了長(zhǎng)度為75mm 的裂紋，裂紋的位置處于支吊架下方的覆板上。其次相關(guān)工作人員再對(duì)覆板和主蒸汽管道的具體細(xì)節(jié)進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)兩者接風(fēng)處的焊腳尺寸誤差約2mm 以上，并且在焊趾線上斷斷續(xù)續(xù)布有咬邊，在這次檢查中發(fā)現(xiàn)，焊接的質(zhì)量并不符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。按照《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的條例，工作人員對(duì)出現(xiàn)裂紋的位置準(zhǔn)備先通過打磨然后再進(jìn)行后續(xù)的焊補(bǔ)工作。通過對(duì)裂縫的打磨發(fā)現(xiàn)，裂紋不管在長(zhǎng)度還是深度上都已經(jīng)不能再修復(fù)，由于其已經(jīng)延展至母材，工作人員準(zhǔn)備對(duì)整個(gè)覆板進(jìn)行拆卸。在拆卸工作完成后發(fā)現(xiàn)覆板的周圍以及與母材的連接處同樣出現(xiàn)了長(zhǎng)度不同深度各異的裂紋，通過精細(xì)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)其中最長(zhǎng)的裂紋有250mm，最深的裂紋有7mm。根據(jù)《壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定》中的相關(guān)規(guī)范要求，這樣的管道不能再繼續(xù)使用，必須進(jìn)行專業(yè)的檢修。為了確保修復(fù)過的管道能夠正常使用防止再出現(xiàn)裂紋，先對(duì)其原因進(jìn)行分析然后提出相關(guān)的處理對(duì)策。

（1）鍋爐資料檢查。出現(xiàn)管道裂縫電鍋爐的型號(hào)為HG220 /100 -10，主蒸汽管道的規(guī)格為273mm×28mm，其覆板的厚度為12mm，鍋爐的預(yù)設(shè)壓力為9.81MPa，預(yù)設(shè)溫度為540℃。除了缺少管道覆板的熱處理情況、外觀檢查情況和無損檢測(cè)情況以外其他資料都基本具備。

（2）鍋爐運(yùn)行記錄檢查。該爐開始投運(yùn)時(shí)間為1990 年8 月，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間總計(jì)12.7 萬h，并對(duì)相關(guān)的運(yùn)行記錄進(jìn)行核查，檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐蒸汽入口的運(yùn)行壓力參數(shù)均符合規(guī)范要求，沒有超溫或超壓的記錄。

2 主蒸汽管道原材料及焊縫調(diào)查

（1）化學(xué)成分調(diào)查。首先檢測(cè)人員對(duì)管道以及覆板的化學(xué)成分進(jìn)行了相關(guān)的檢測(cè)，其管道和覆板的化學(xué)成分及材質(zhì)均符合相關(guān)規(guī)范要求，并且通過對(duì)接縫的材質(zhì)檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，其所用的焊條無論在焊接方式還是化學(xué)材質(zhì)上也均符合規(guī)范要求。

（2）拉伸性能試驗(yàn)。依照GB/T228—2002《金屬拉伸試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定，工作人員對(duì)管道以及覆板做了拉伸性能的檢測(cè)，該檢測(cè)所用的儀器為INSTRON-8032 萬能電液伺服試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，記錄顯示舊材料中的ReL、Rm 成分比新材料中的成分低，由此可以證明主蒸汽管道在長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)作下，其材料受到了嚴(yán)重的損耗。經(jīng)工作人員對(duì)熱力學(xué)性能的相關(guān)材料進(jìn)行對(duì)比后可以看出，即便電鍋爐的使用時(shí)間已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)12 萬h，但從主蒸汽管道材料的強(qiáng)度值一項(xiàng)來看，雖然該值與新貨交貨標(biāo)準(zhǔn)值的最低線相近，但依然符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?？梢宰C明即便主蒸汽管道經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行使用，強(qiáng)度指標(biāo)雖然相比以往有下降趨勢(shì)，但可以忽略不計(jì)。并且主蒸汽管道的塑性指標(biāo)相比之下卻有略增的趨勢(shì)，但其熱力學(xué)性能同樣符合規(guī)定。

（3）硬度檢查。雖然相關(guān)規(guī)范中沒有涉及材料具體硬度要求，但通常對(duì)于合金含量較小的焊縫，在對(duì)其經(jīng)過熱處理后，焊縫硬度應(yīng)根據(jù)其母材的硬度而定，即不能超出母材布氏硬度的規(guī)定值，超限范圍為100 ～270。因?yàn)楹缚p的尺寸通常過小，所以在進(jìn)行焊縫的制作過程中，有關(guān)拉伸試樣工作難度很大，要做一系列的準(zhǔn)備工作。首先工作人員要計(jì)算焊縫的力學(xué)性能，其次對(duì)母材和焊縫進(jìn)行硬度測(cè)試，并仔細(xì)記錄好相關(guān)數(shù)據(jù)。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，其中焊縫硬度一項(xiàng)與規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)值嚴(yán)重不符，超限過高，這表示在進(jìn)行熱處理工作環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。并且硬度指標(biāo)過高表明焊縫區(qū)力學(xué)性能整體較差，因此影響了焊縫的伸展性和韌性，這可能是主蒸汽管道出現(xiàn)裂紋的原因之一。

（4）金相檢查。為了能夠細(xì)致了解主蒸汽管道經(jīng)過長(zhǎng)期的高溫運(yùn)行后其材質(zhì)的顯微組織是否有所改變，工作人員對(duì)其進(jìn)行金相檢查。金相檢查的主要目的是檢查材料中碳化物的具體情況，包括析出狀況和球化狀況，同時(shí)還要檢查材質(zhì)是否出現(xiàn)了高溫蠕變現(xiàn)象。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在管道金相組織檢查實(shí)驗(yàn)中，該取樣的金相組織中主要有3 種成分，即鐵素體、貝氏體和游離的碳化物。并且在鐵素體中，無論是晶體內(nèi)還是晶體邊界都有不同程度的碳化物析出；在貝氏體的碳化物析出狀況更加明顯，已經(jīng)出現(xiàn)球化現(xiàn)象，但其區(qū)域形態(tài)并沒有發(fā)生多大變化，可以看出球化的等級(jí)并不高。在對(duì)覆板進(jìn)行金相組織檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，取樣中的金相組織組成成分同為3 種及鐵素體、珠光體和游離碳化物并且檢測(cè)結(jié)果與管道金相組織檢測(cè)結(jié)果大致相同。在進(jìn)行金相組織檢測(cè)時(shí)只發(fā)現(xiàn)了碳析出和球化現(xiàn)象，并沒有出現(xiàn)高溫蠕變現(xiàn)象。管道金相組織檢測(cè)如圖1、2。

圖1 管道金相組織

圖2 覆板金相組織

（5）試驗(yàn)總結(jié)。在完成上述幾種測(cè)試以后，通過對(duì)結(jié)果的具體分析可以得出以下結(jié)論。在化學(xué)成分調(diào)查試驗(yàn)中得知，管道和覆板的材質(zhì)及化學(xué)成分中主要元素的含量均符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定；在拉伸試驗(yàn)結(jié)果可得知，無論是強(qiáng)度還是塑性方面，母材均符合規(guī)范要求；在金相組織檢測(cè)試驗(yàn)中可得知，通過對(duì)管道具體部位和覆板的金相組織取樣，可以看出即便材料出現(xiàn)了一定程度上的損傷即碳化物的析出和球化現(xiàn)象，但影響不大，因?yàn)榻鹣鄼z測(cè)表明材料的微觀組織形態(tài)良好并不影響管道的正常運(yùn)行，所以可以排除主蒸汽管道裂紋的產(chǎn)生受材料質(zhì)量變化的影響，但當(dāng)焊縫斷口處出現(xiàn)二次裂紋時(shí)，不能排除此原因，斷口處裂紋的再生成極有可能是焊縫質(zhì)量不合格造成；通過硬度檢查測(cè)試的分析可以得出，焊縫處硬度相比標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)較高的原因，很有可能是熱處理工作環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，但該原因并不能造成主蒸汽管道裂紋直接產(chǎn)生。

3 主蒸汽管道裂縫產(chǎn)生原因分析

（1）管道受力狀況分析。工作人員在進(jìn)行管道裂紋原因分析時(shí)，首先對(duì)管道出廠單位配備的管道竣工圖做了詳細(xì)的查看，其次再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，對(duì)主蒸汽管道的受力數(shù)值進(jìn)行了計(jì)算。經(jīng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)管道受力數(shù)額沒有超出其能承受的載荷力，并且該主蒸汽管道在結(jié)構(gòu)上無論是走向還是支吊架位置，都是依照專業(yè)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)而成，所以并不是管道受力問題造成管道出現(xiàn)裂紋。

（2）支吊架管部結(jié)構(gòu)分析。支吊架的管部結(jié)構(gòu)可以根據(jù)與管道的連接方法不同大致分為2 種，一種是整體型，一種是非整體型。整體型管部連接具體方式是焊接的方法將其連在一起，但焊接過程會(huì)存在很多問題，比如工作人員在進(jìn)行焊接工作時(shí)，很難去檢測(cè)焊接的質(zhì)量并進(jìn)行后續(xù)的熱處理工作，所以目前的焊接工作中主要的碳鋼管道一般不再使用結(jié)構(gòu)型式焊接。非整體型管部連接方式還可以再細(xì)分為2 種，一種是夾持式，一種是支托式，利用這兩種連接方式不僅便于管道的安裝，同時(shí)還便于后續(xù)對(duì)已經(jīng)安裝的管道進(jìn)行調(diào)整。本次研究的電鍋爐主蒸汽管道，采用的是整體型連接方式，所以是利用焊接手段將覆板和管道相連。由于焊接的弊端，每次電鍋爐開啟或停運(yùn)時(shí)，會(huì)因相關(guān)熱應(yīng)力使得管道內(nèi)和焊接部位產(chǎn)生裂紋，并使原有的裂紋程度加深和擴(kuò)展。

（3）對(duì)支吊架管部結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的驗(yàn)證。為了驗(yàn)證結(jié)果并確保管道的安全使用，對(duì)采用整體式連接方式的主蒸汽管道一一進(jìn)行排查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)覆板下方的管道上都布有長(zhǎng)度和深度不等的裂紋。同時(shí)在檢測(cè)中還發(fā)現(xiàn)，一部分布有裂紋的焊縫均出現(xiàn)一個(gè)共同點(diǎn)，就是焊腳尺寸相比正常尺寸均偏小，同時(shí)焊縫的咬邊情況也比較嚴(yán)重，該現(xiàn)象證實(shí)了焊接的質(zhì)量是促成管道產(chǎn)生裂紋的原因之一，同時(shí)也是造成裂紋擴(kuò)展和加深的原因。

4 主蒸汽管道裂紋處理對(duì)策探討

（1）更換覆板下方管段。雖然除了直接更換管道之外，也可以根據(jù)實(shí)際狀況對(duì)管道上的裂紋采用填補(bǔ)的方法處理。但由于管道為金屬材質(zhì)，當(dāng)其出現(xiàn)裂紋后代表金屬的性能已經(jīng)有所下降。由于磁粉檢測(cè)的靈敏程度較高，所以在日常檢測(cè)中可以利用表面探傷檢查的方式對(duì)出現(xiàn)裂紋的管道進(jìn)行檢測(cè)，但該項(xiàng)檢測(cè)對(duì)管道裂紋的寬度有一定的要求，如果裂紋過窄很容易出現(xiàn)漏檢的情況，所以對(duì)管道進(jìn)行修復(fù)的方法雖然能節(jié)省資金，但并不能使裂紋管道得到徹底的修復(fù)。同時(shí)鋼的熱脆性溫度范圍在500 ～550℃，在長(zhǎng)期高溫的情況下管道的鋼材質(zhì)很容易發(fā)生脆化，并且運(yùn)行時(shí)間越久，其脆化的可能性就越大。通過電鏡掃描實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，雖然出現(xiàn)脆化后的鋼材料不影響自身的塑性，但任由管道脆化一定會(huì)加劇管道裂紋的延伸。所以綜合考慮，為保證管道能安全運(yùn)行，最優(yōu)方法就是對(duì)裂紋明顯的管段進(jìn)行更換處理。

（2）更改支吊架管部結(jié)構(gòu)。通過以上研究可以得知，使用焊接的方法進(jìn)行管道之間的連接是不合理的結(jié)構(gòu)型式，容易出現(xiàn)很多弊端，這也是主蒸汽管道裂紋產(chǎn)生的主要原因，同時(shí)在進(jìn)行焊接后沒有做好后續(xù)的熱處理工作同樣會(huì)促使管道裂紋的生成。所以在更換出現(xiàn)裂紋管段的基礎(chǔ)上還應(yīng)更改支吊架管部結(jié)構(gòu)，相關(guān)技術(shù)人員建議在對(duì)管道進(jìn)行修理的過程中，可以把支吊架與管道的連接方法由焊接式更改為包箍式或其他非整體式結(jié)構(gòu)。這樣就能避免受長(zhǎng)期高溫影響產(chǎn)生的應(yīng)力造成管道裂紋的生成和加深。

5 結(jié)語

主蒸汽管道產(chǎn)生裂紋不僅會(huì)影響管道的正常運(yùn)行，同時(shí)還會(huì)給企業(yè)帶來一定程度上的經(jīng)濟(jì)損失。所以一定要在日常檢測(cè)中注意該方面的檢查，通過對(duì)其產(chǎn)生原因分析和處理對(duì)策的探討，可以將成果應(yīng)用于管道的運(yùn)行和維護(hù)中，來規(guī)避管道裂紋產(chǎn)生的隱藏風(fēng)險(xiǎn)。