火力發(fā)電廠主蒸汽管道溫度套管泄漏原因分析

任飛翔

華電湖北發(fā)電有限公司電力工程分公司 湖北黃石 435000

1 事件經(jīng)過(guò)

某公司1 號(hào)機(jī)組運(yùn)行中，檢修人員在1 號(hào)機(jī)組汽機(jī)房6 米層主蒸汽管道處聽(tīng)到異常聲響，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)右側(cè)主蒸汽管道溫度測(cè)點(diǎn)處保溫有微量蒸汽泄漏，初步判斷是右側(cè)主蒸汽管溫度測(cè)點(diǎn)角焊縫裂紋導(dǎo)致泄漏。機(jī)組降負(fù)荷維持至170MW 運(yùn)行，主汽壓力降低至9MPa，經(jīng)檢修人員持續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，主蒸汽管道泄漏點(diǎn)聲音有逐漸增大的情況，泄漏蒸汽量無(wú)顯著增大，判斷是溫度測(cè)點(diǎn)套管焊縫泄漏有擴(kuò)大趨勢(shì)，但由于保溫阻擋，泄漏蒸汽量無(wú)明顯變化，機(jī)組打閘停機(jī)[1]。

2 檢查及處理情況

該機(jī)組主蒸汽管道設(shè)計(jì)材質(zhì)P91，本次泄漏位置在汽機(jī)房6 米平臺(tái)，距離主汽門(mén)5 米，右側(cè)分支管道上溫度套管管座角焊縫開(kāi)裂泄漏，該位置主蒸汽管道規(guī)格Ф273×32mm。該泄漏溫度套管角焊縫曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)改造，至本次停機(jī)，該管座運(yùn)行時(shí)間45368 小時(shí)。

（1）現(xiàn)場(chǎng)檢查共發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道漏點(diǎn)1 處，位于汽機(jī)房6 米平臺(tái)右側(cè)主蒸汽溫度套管角焊縫，大量蒸汽沿管座角焊縫主管側(cè)熔合線泄漏，開(kāi)裂長(zhǎng)度達(dá)到4/5 圈熔合線，沖刷痕跡明顯。

待機(jī)組完全冷卻，將泄漏溫度套管取下，可見(jiàn)整圈斷口無(wú)塑性變形，斷面粗糙，沿晶開(kāi)裂，斷面位于主管側(cè)熔合線上，斷面上未發(fā)現(xiàn)其他微裂紋，主管側(cè)坡口凹凸光滑，有明顯的焊接熔化痕跡，坡口邊緣存在未焊透現(xiàn)象，整個(gè)斷口呈脆性斷裂特征。

該焊縫為單面焊，焊接結(jié)構(gòu)為不焊透結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且實(shí)際安裝時(shí)，為了避免套管深入主蒸汽管道內(nèi)太長(zhǎng)，將椎體上移，造成套管與管壁之間縫隙增大，套管在蒸汽的擾動(dòng)下，使套管產(chǎn)生一定的振動(dòng)，更易在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞；且主管側(cè)坡口深度較淺，焊接強(qiáng)度不足?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行光譜復(fù)核，發(fā)現(xiàn)主管道材質(zhì)為P91，溫度套管材質(zhì)為12Cr1MoV，焊縫材質(zhì)為ERNiCr-3，該焊縫是采用鎳基焊材將兩種鐵素體材料焊接在一起。

（2）擴(kuò)大檢查情況：鑒于溫度套管管座角焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與異種鋼焊接存在的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)同類(lèi)溫度套管角焊縫再次進(jìn)行了滲透探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷痕跡顯示。由于此類(lèi)裂紋產(chǎn)生于未焊透結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位或者P91 熱影響區(qū)內(nèi)部，滲透檢測(cè)僅能發(fā)現(xiàn)表面裂紋，檢測(cè)手段具有局限性。

（3）類(lèi)似設(shè)備故障情況：溫度套管異種鋼管座角焊縫開(kāi)裂在其他廠也時(shí)有發(fā)生，2019 年3 月山東青島某電廠機(jī)組主蒸汽管道溫度套管飛出，運(yùn)行時(shí)間9.6 萬(wàn)小時(shí)；山西河津某電廠機(jī)組投運(yùn)后多個(gè)溫度套管管座角焊縫開(kāi)裂（采用不銹鋼焊材而不是鎳基焊材）；廣東某電廠2018 年7 月11 號(hào)機(jī)組主蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)管座斷裂飛脫，運(yùn)行時(shí)間接近10 萬(wàn)小時(shí)，以上說(shuō)明異種鋼焊接管座角焊縫存在較大的安全隱患。

3 原因分析

（1）異種鋼焊縫與母材的化學(xué)成分不同，高溫運(yùn)行會(huì)發(fā)生碳擴(kuò)散和遷移，母材側(cè)有脫碳現(xiàn)象，焊縫側(cè)形成晶界碳化物，使得晶界弱化，都會(huì)造成蠕變強(qiáng)度降低而導(dǎo)致蠕變損傷。鎳基異種鋼接頭長(zhǎng)期運(yùn)行也會(huì)沿著熔合線附近的碳化物相和熔合線附近的原始奧氏體晶界處發(fā)生斷裂，只是它比用普通奧氏體填充材料形成的焊接接頭壽命要長(zhǎng)一些。

（2）奧氏體材料與鐵素體材料線膨脹系數(shù)的差別在溫度變化的情況下在接頭內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，在應(yīng)力和組織缺陷的共同影響下異種鋼接頭容易發(fā)生早期破壞，其運(yùn)行壽命與運(yùn)行溫度和應(yīng)力水平等綜合因素有關(guān)。

（3）焊接結(jié)構(gòu)不合理，并且未嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，形成未焊透結(jié)構(gòu)易在異種鋼的焊縫根部造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

（4）P91 與不銹鋼異種鋼焊接時(shí)，P91 母材同樣經(jīng)歷了焊接過(guò)程，但是采用鎳基焊材的工藝上通常不進(jìn)行熱處理，這就容易導(dǎo)致P91 側(cè)熱影響區(qū)位置出現(xiàn)淬硬傾向比較大的組織，使P91 側(cè)熱影響區(qū)脆性增大，在該部位產(chǎn)生初始裂紋；如果焊接工藝執(zhí)行不到位，如焊前不預(yù)熱，焊接線能量過(guò)大，都會(huì)加大P91 側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)缺陷的可能。

綜上所述：溫度套管異種鋼焊縫由于成分、性能差異，導(dǎo)致碳擴(kuò)散和遷移，線膨脹系數(shù)的差別引起較大的溫差應(yīng)力，未焊透結(jié)構(gòu)造成應(yīng)力集中，P91 未進(jìn)行熱處理使熱影響區(qū)脆性增大等，異種鋼焊縫長(zhǎng)期運(yùn)行后沿著熔合線附近的碳化物相和熔合線附近的原始奧氏體晶界處發(fā)生開(kāi)裂，導(dǎo)致主蒸汽管道右側(cè)溫度套管角焊縫開(kāi)裂產(chǎn)生泄漏，機(jī)組停機(jī)[2]。

4 處理及防范措施

（1）采用T91 材質(zhì)溫度套管的同種鋼焊接方案，有效提高焊縫質(zhì)量，對(duì)其他機(jī)組類(lèi)似溫度套管角焊縫按同種鋼焊接工藝重新進(jìn)行焊接修復(fù)。

（2）焊接修復(fù)時(shí)應(yīng)完全去除主蒸汽管道上遺留的鎳基焊縫組織，采用表面檢測(cè)方法確定無(wú)裂紋等缺陷。嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，焊接完畢后將角焊縫修磨成與周?chē)覆膱A滑過(guò)渡的凹形角焊縫；對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損探傷和理化檢驗(yàn)，確保焊接質(zhì)量[3]。

（3）利用檢修機(jī)會(huì)全面排查四大管道異種鋼管座角焊縫，按照《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》（DL/T438-2016)要求，及時(shí)更換超過(guò)使用時(shí)間的高溫高壓管道。

5 結(jié)語(yǔ)

火力發(fā)電廠高溫高壓管道運(yùn)行可靠直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)組的的安全穩(wěn)定，本文從高溫高壓管道異種鋼焊縫成分、性能差異、焊接工藝等方面進(jìn)行原因分析，并提出了相應(yīng)的處理和防范措施，可供其它電廠參考和預(yù)防，從而提高設(shè)備的可靠性。