主蒸汽管道堵板閥焊縫泄漏原因分析及解決方法

雍漫江

(湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院湘潭分院，湖南湘潭411100)

0 引言

堵板閥是一種堵板和導(dǎo)流套可互換的既可用于水壓試驗(yàn)又可作為管道使用的雙功能裝置[1-4]。一般情況下，電站鍋爐水壓試驗(yàn)時(shí)堵板閥安裝在鍋爐過(guò)熱器出口和再熱器進(jìn)、出口的蒸汽管道上，作為靜態(tài)水壓試驗(yàn)的隔離裝置，水壓試驗(yàn)后拆除內(nèi)部堵板和支撐板等內(nèi)件，并裝入導(dǎo)流套作為管道進(jìn)入正常使用狀態(tài)。堵板閥作為管道的承壓部件，且懸空布置于鍋爐兩側(cè)，運(yùn)行中一旦發(fā)生泄漏事故，對(duì)人身和設(shè)備安全具有較大的危害性[5-8]。

某電廠135 MW發(fā)電機(jī)組1號(hào)鍋爐發(fā)生主蒸汽管道堵板閥蒸汽輕微泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)堵板閥與其過(guò)渡短管的連接焊縫開(kāi)裂，發(fā)現(xiàn)并處理及時(shí)，成功地避免了主蒸汽管道爆漏的重大安全事故。通過(guò)外觀檢查、金相檢查、超聲檢查、硬度試驗(yàn)等多種手段，分析了泄漏原因，分次對(duì)堵板閥進(jìn)行了處理，消除了缺陷和隱患，恢復(fù)了機(jī)組運(yùn)行，至今未出現(xiàn)任何問(wèn)題。

1 設(shè)備概況及事故情況

1.1 設(shè)備概況

某電廠135 MW發(fā)電機(jī)組1號(hào)鍋爐，型號(hào)為NG-400/13.7-Q型，單鍋筒、自然循環(huán)、集中下降管、倒U型布置的全煤氣鍋爐。鍋爐主要技術(shù)性能參數(shù):過(guò)熱蒸汽溫度540℃，過(guò)熱蒸汽壓力13.7 MPa，再熱蒸汽、進(jìn)出口溫度為310℃、540℃，再熱蒸汽進(jìn)出口壓力為2.397 MPa、2.274 MPa。主蒸汽管道為單管系，管道規(guī)格為φ245×28 mm，材質(zhì)為12GrMoVG；堵板閥規(guī)格為φ245×28 mm，閥體材質(zhì)為ZG20GrMoV；堵板閥為鍋爐制造廠外購(gòu)后提供。

該鍋爐2013年8月投入運(yùn)行，至2019年6月累計(jì)運(yùn)行約4.8萬(wàn)h，運(yùn)行期間鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定，未出現(xiàn)超溫超壓的現(xiàn)象，鍋爐巡檢、維修及鍋爐內(nèi)、外部檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)承壓部件缺陷。

1.2 事故情況

2019年6月10日14時(shí)28分，鍋爐運(yùn)行人員點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)1號(hào)鍋爐主蒸汽管道右側(cè)堵板閥入口側(cè)存在蒸汽輕微泄漏現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)保溫拆除，漏點(diǎn)判斷為堵板閥入口焊縫輕微開(kāi)裂。當(dāng)時(shí)鍋爐為額定工況運(yùn)行，相關(guān)運(yùn)行參數(shù)為鍋爐負(fù)荷410 t/h、過(guò)熱蒸汽壓力13.5 MPa、過(guò)熱蒸汽溫度540℃。短時(shí)間采取特護(hù)運(yùn)行，特護(hù)主要措施有降低鍋爐參數(shù)運(yùn)行，鍋爐負(fù)荷降為300 t/h、過(guò)熱蒸汽壓力降為10 MPa、過(guò)熱蒸汽溫度480℃；現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有效隔離；對(duì)開(kāi)裂的焊縫進(jìn)行尺寸標(biāo)識(shí)，安裝高清晰監(jiān)控；現(xiàn)場(chǎng)安裝噪音監(jiān)控；崗位人員每?jī)尚r(shí)進(jìn)行匯報(bào)，如有劣化立即安排停爐處理。

1號(hào)鍋爐進(jìn)入特護(hù)運(yùn)行后，監(jiān)視發(fā)現(xiàn)蒸汽泄漏量、泄漏聲音有增長(zhǎng)趨勢(shì)，匯報(bào)并經(jīng)主管生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)后，為確保人身、設(shè)備安全，6月13日18時(shí)鍋爐緊急停爐。停爐冷卻后拆除漏點(diǎn)前、后1 m保溫層，發(fā)現(xiàn)堵板閥與其過(guò)渡短管的連接焊縫裂紋發(fā)生擴(kuò)展。

2 試驗(yàn)

2.1 外觀檢測(cè)

對(duì)堵板閥先進(jìn)行外觀尺寸檢查，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)堵板閥內(nèi)徑210 mm、長(zhǎng)度約1 050 mm，連同兩邊過(guò)渡段總長(zhǎng)約1 300 mm，過(guò)渡段兩側(cè)焊縫中心間距125 mm(如圖1所示)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步打磨后檢查發(fā)現(xiàn)，該堵板閥的變徑過(guò)渡段與閥體插接連接后再焊接，且內(nèi)部進(jìn)行了車(chē)削加工處理，打磨后過(guò)渡段與堵板閥顯示有插接口。

圖1 堵板閥示意圖

鍋爐制造廠圖紙顯示堵板閥內(nèi)徑與主蒸汽管道(φ245×28 mm)內(nèi)徑一致，均為189 mm，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)堵板閥內(nèi)徑210 mm；鍋爐制造廠提供的圖紙顯示堵板閥長(zhǎng)度850 mm，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)堵板閥長(zhǎng)度約1 050 mm，連同兩邊過(guò)渡段總長(zhǎng)約1 300 mm，表明堵板閥生產(chǎn)廠在未與鍋爐制造廠進(jìn)行協(xié)商確定的前提下，擅自改變結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。堵板閥設(shè)計(jì)圖紙尺寸與現(xiàn)場(chǎng)核查數(shù)據(jù)比對(duì)見(jiàn)表1。

表1 堵板閥設(shè)計(jì)圖紙尺寸與現(xiàn)場(chǎng)核查數(shù)據(jù)比對(duì) mm

堵板閥設(shè)置過(guò)渡段后，兩焊縫間距過(guò)短、焊接方法等不符合相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求[4，9-10]。過(guò)渡段兩側(cè)焊縫中心間距只有125 mm，根據(jù)TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求；當(dāng)管道外徑≥159 mm時(shí)，管道對(duì)接焊縫直段上對(duì)接焊縫中心間距焊縫中心線間的距離應(yīng)≥300 mm，因此焊縫間距過(guò)小不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，兩焊縫處于相互制約的熱影響區(qū)，埋下了焊縫失效的隱患。同時(shí)由于對(duì)焊縫堵板閥與過(guò)渡段采用單道焊接，焊縫寬度超標(biāo)，焊寬最大處達(dá)80 mm，板閥兩側(cè)焊縫中心間距105 mm。根據(jù)DL/T869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》要求，應(yīng)采用多層多道焊，且單焊道寬度不大于所用焊條直徑5倍(不超過(guò)16 mm)。

2.2 金相試驗(yàn)

在對(duì)泄漏點(diǎn)焊縫切開(kāi)和打磨過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)原焊縫存在大量的夾渣、氣孔等缺陷[11]，其中有3個(gè)穿透性的氣孔，孔徑約2 mm，如圖2所示。

圖2 焊縫氣孔位置

對(duì)泄漏點(diǎn)焊縫4個(gè)試樣進(jìn)行金相分析，分析項(xiàng)目與標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，金相分析結(jié)果如下:①20GrMo基體側(cè)存在較多DS夾雜，最大尺寸56μm，其中4號(hào)試樣顯示該側(cè)基體存在內(nèi)部孔洞，尺寸達(dá)到3.5 mm；②2號(hào)、4號(hào)試樣顯示焊縫內(nèi)存在微裂紋和孔洞，2號(hào)試樣微裂紋尺寸為0.5～0.6 mm，4號(hào)試樣微裂紋尺寸為1.4 mm；孔洞尺寸最大達(dá)到1.1 mm。

2.3 超聲試驗(yàn)

為了進(jìn)一步查明原因，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊縫進(jìn)行了超聲檢測(cè)，焊縫編號(hào)從左至右，采用的超聲檢測(cè)儀型號(hào)CTS-1002，利用2.5PK1/9×9型探頭單面單側(cè)以鋸齒形掃查方式進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度為φ2×60-14 dB，表面補(bǔ)償4 dB，根據(jù)管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定級(jí)別[12-13]。超聲檢測(cè)結(jié)果顯示兩個(gè)堵板閥過(guò)渡段焊縫均存在缺陷，超聲檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 超聲檢測(cè)結(jié)果表

堵板閥出廠資料中沒(méi)有堵板閥與過(guò)渡段焊縫的無(wú)損檢測(cè)記錄，鍋爐安裝竣工資料中主蒸汽管道焊縫探傷示意圖中也沒(méi)有包括堵板閥與過(guò)渡段的焊縫。

2.4 硬度試驗(yàn)

為了比較焊縫與母材的硬度，進(jìn)一步使用HLN-160型便攜式里氏硬度計(jì)對(duì)堵板閥與過(guò)渡段焊縫泄漏處焊縫和母材進(jìn)行硬度檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T17394—2014《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn)》，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。從檢測(cè)結(jié)果可以了解焊縫硬度較均勻，而母材硬度偏低。

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果表 HBS

3 原因分析與處理

3.1 原因分析

結(jié)合圖實(shí)核查、外觀檢查、焊縫超聲檢測(cè)、金相分析、硬度檢測(cè)等多種手段，分析焊縫泄漏原因。

1)堵板閥生產(chǎn)廠未按鍋爐制造廠設(shè)計(jì)圖紙制造，擅自將850 mm的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度變?yōu)? 300 mm，并增加了堵板閥前、后2個(gè)過(guò)渡段，不符合GB/T 29462—2012《電站堵閥》要求。

2)堵板閥配套的2個(gè)變徑過(guò)渡短管長(zhǎng)度過(guò)短，過(guò)渡短管兩側(cè)的焊縫間距小，僅為125 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)程最小要求300 mm的標(biāo)準(zhǔn)。焊縫間距過(guò)小，使兩焊縫的熱影響區(qū)部分重疊，焊后熱應(yīng)力疊加，對(duì)焊接接頭性能產(chǎn)生影響[14]，埋下了長(zhǎng)期運(yùn)行焊縫失效的隱患。

3)焊縫寬度超標(biāo)(焊寬最大處達(dá)80 mm)，采用單焊道、過(guò)渡段與閥體插接焊接，內(nèi)部進(jìn)行了車(chē)削加工處理，焊縫大量的夾渣、氣孔等造成堵板閥過(guò)渡短管制造焊縫質(zhì)量差，應(yīng)力集中[15]。焊接工藝不符合要求、焊縫質(zhì)量差是焊縫泄漏的直接原因。

4)金相檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的穿透性氣孔對(duì)焊縫的危害比埋藏氣孔更大，尤其是彎曲時(shí)受拉伸面上的氣孔對(duì)裂縫的危害是最大的。而相比于氣孔，夾渣的危害性更大，由于夾渣的存在，導(dǎo)致焊縫的承受面積在一定程度上減小，因此影響焊縫的靜強(qiáng)度。

5)堵板閥泄漏也充分暴露各參建單位管理的不足。堵板閥生產(chǎn)廠未按設(shè)計(jì)圖紙制造，未對(duì)部件焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，提供了不合格產(chǎn)品。鍋爐制造廠沒(méi)有嚴(yán)格控制供方產(chǎn)品質(zhì)量，采購(gòu)存在明顯缺陷的供方部件。使用單位、設(shè)備安裝單位、檢驗(yàn)單位對(duì)部件入場(chǎng)質(zhì)量把關(guān)不到位，最終導(dǎo)致圖實(shí)不符、焊縫質(zhì)量差的部件安裝使用。

3.2 缺陷處理

為盡快恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行，由原鍋爐安裝單位制定返修工藝，對(duì)焊縫缺陷處進(jìn)行返修處理，并經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格后投入運(yùn)行，同時(shí)要求使用單位運(yùn)行期間加強(qiáng)監(jiān)護(hù)[16]。

為徹底消除隱患，經(jīng)多次協(xié)商，鍋爐制造廠按原設(shè)計(jì)尺寸，重新采購(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的堵板閥，在2019年11月鍋爐C級(jí)檢修計(jì)劃中，由原鍋爐安裝單位制定更換方案，對(duì)原堵板閥進(jìn)行整體更換。經(jīng)監(jiān)督檢驗(yàn)合格，投入運(yùn)行。處理后鍋爐運(yùn)行狀況良好，堵板閥未發(fā)現(xiàn)異常。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

堵板閥制造廠未按鍋爐制造廠圖紙制造、擅自增加過(guò)渡段、過(guò)渡段兩側(cè)焊縫中心間距過(guò)短不滿(mǎn)足規(guī)范要求、焊接工藝不合規(guī)定、焊接質(zhì)量差，以及鍋爐制造廠對(duì)供方質(zhì)量管控不嚴(yán)、部件出廠檢驗(yàn)和設(shè)備到廠驗(yàn)收不到位是造成堵板閥制造焊縫泄漏的管理原因。

4.2 建議

1)鍋爐制造廠應(yīng)加強(qiáng)對(duì)合格供方的管理，認(rèn)真開(kāi)展供方評(píng)審，對(duì)采購(gòu)的堵板閥、流量計(jì)等承壓部件質(zhì)量進(jìn)行跟蹤檢查。

2)承壓部件制造單位應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，加強(qiáng)出廠前對(duì)鍋爐堵板閥等承壓部件的檢驗(yàn)，從源頭上對(duì)制造質(zhì)量進(jìn)行控制，提供合格產(chǎn)品，不得隨意更改尺寸、工藝。

3)安裝單位在鍋爐安裝時(shí)特別對(duì)外購(gòu)件應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，對(duì)實(shí)物、隨機(jī)資料、設(shè)計(jì)圖紙等逐一核查，對(duì)焊縫進(jìn)行必要的抽查，嚴(yán)格把好質(zhì)量關(guān)，及時(shí)消除安全隱患，確保鍋爐安全運(yùn)行。