火力發(fā)電廠幾種高溫承壓金屬部件損傷分析及處理

吉建兵

(遼寧東方發(fā)電有限公司，遼寧 撫順 113007)

火力發(fā)電廠高溫、承壓汽水系統(tǒng)上的部件由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)、介質(zhì)參數(shù)變化和運(yùn)行時(shí)間增加等原因會(huì)產(chǎn)生熱疲勞損傷等，尤其高溫金屬部件偏離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)損傷更為嚴(yán)重。其中，蒸汽管道和聯(lián)箱上的各類導(dǎo)出、引入管的母材、角焊縫及管道或聯(lián)箱開孔附近母材常產(chǎn)生熱疲勞裂紋，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)可能導(dǎo)致部件泄漏而發(fā)生機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)。尤其服役10萬h以上的機(jī)組，相關(guān)部件由于熱疲勞損傷的積累，開始出現(xiàn)蠕變裂紋，積累到一定程度會(huì)導(dǎo)致部件失效。新機(jī)組的高溫承壓金屬部件一般因?yàn)楦邷馗邏翰考Y(jié)構(gòu)不合理和錯(cuò)用材質(zhì)而導(dǎo)致失效。

為避免或減少這種損壞導(dǎo)致的機(jī)組非停，把幾次高溫承壓金屬部件發(fā)生損壞的失效情況和處理辦法逐一進(jìn)行研究。

1 350 MW機(jī)組機(jī)側(cè)匯流排聯(lián)箱T型接頭損壞

匯流排聯(lián)箱是汽輪機(jī)側(cè)的一種異型聯(lián)箱，如圖1、圖2所示。工作原理：匯集主汽系統(tǒng)和再熱熱段系統(tǒng)的輸水，集中排放，設(shè)備運(yùn)行近1萬h，在運(yùn)行中導(dǎo)出管與聯(lián)箱連接部位脫開，發(fā)生泄漏，機(jī)組被迫停機(jī)，扒保溫檢查發(fā)現(xiàn)聯(lián)箱接管自與聯(lián)箱連接焊接接頭處脫開，如圖3所示。

圖1 350 MW機(jī)組匯流排聯(lián)箱結(jié)構(gòu)

圖2 350 MW機(jī)組原始設(shè)計(jì)匯流排聯(lián)箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 350 MW機(jī)組匯流排角焊縫失效

經(jīng)分析，這種連接結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的原因是由于T型結(jié)構(gòu)的連接處沒有使用管座進(jìn)行加強(qiáng)導(dǎo)致角焊縫處連接強(qiáng)度不足，使接管在結(jié)構(gòu)不連續(xù)的角焊縫處脫開，發(fā)生泄漏，導(dǎo)致機(jī)組非停。

經(jīng)分析和強(qiáng)度計(jì)算，這種聯(lián)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，導(dǎo)致泄漏，為避免此類事故的重復(fù)發(fā)生，需對(duì)部件結(jié)構(gòu)按《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計(jì)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行改造、加強(qiáng)，并結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出加強(qiáng)管座，按焊接規(guī)程的要求，選取合適的焊材、焊接方式和熱處理工藝，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改型焊接改造，系統(tǒng)恢復(fù)連接后，至今已安全運(yùn)行近10萬h，每次機(jī)組停機(jī)檢修都進(jìn)行跟蹤檢查，各項(xiàng)檢查未發(fā)現(xiàn)異常。改造后的匯流排聯(lián)箱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 350 MW機(jī)組改造后匯流排聯(lián)箱結(jié)構(gòu)示意圖

2 200 MW機(jī)組爐側(cè)集汽聯(lián)箱向空排汽管管座和聯(lián)箱母材的損壞

200 MW機(jī)組鍋爐集汽聯(lián)箱向空排汽管是該型鍋爐的重要高溫、承壓部件。其工作原理為機(jī)組啟動(dòng)前和異常工況時(shí)，系統(tǒng)通過向空排汽管緊急向外排出系統(tǒng)內(nèi)的空氣和蒸汽，保持設(shè)備的運(yùn)行安全(見圖5)。機(jī)組在額定參數(shù)運(yùn)行時(shí)向空排汽管道系統(tǒng)是封閉的，因此造成機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)向空排汽管內(nèi)距離聯(lián)箱越遠(yuǎn)，溫度越低，導(dǎo)致向空排汽管內(nèi)的部分蒸汽會(huì)發(fā)生凝結(jié)，形成凝結(jié)水順立管向下流動(dòng)，對(duì)金屬部件造成熱疲勞損傷。

圖5 200 MW機(jī)組集汽聯(lián)箱和向空排汽管實(shí)物結(jié)構(gòu)

從該類型機(jī)組同類部件長(zhǎng)期運(yùn)行的情況看，這一接管結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)工況下長(zhǎng)期運(yùn)行存在不安全隱患，有的甚至發(fā)生爆破事故，特別是這種連接系統(tǒng)中排汽管管座位于集汽聯(lián)箱上部，由其運(yùn)行工作原理可知，會(huì)造成向空排汽管中經(jīng)常有凝結(jié)水回流到接管管孔，甚至流到下部聯(lián)箱內(nèi)部。由于機(jī)組參數(shù)變化等原因造成有凝結(jié)水頻繁、周期性產(chǎn)生和流動(dòng)，對(duì)接管、管座母材以及聯(lián)箱開孔孔壁產(chǎn)生了交變溫度應(yīng)力，交變應(yīng)力積累到一定程度會(huì)導(dǎo)致管座母材和聯(lián)箱開孔的孔壁內(nèi)表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋(見圖6—圖8)。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，部件材料老化和劣化，這種熱疲勞裂紋在交變的溫度應(yīng)力以及內(nèi)部介質(zhì)對(duì)裂紋前沿不斷的腐蝕等因素作用下，將不斷延伸、擴(kuò)展，積累到一定程度就可能發(fā)生設(shè)備泄漏損壞事故。原遼寧發(fā)電廠2期工程的2臺(tái)200 MW機(jī)組向空排汽管都曾發(fā)生過這種裂紋損壞，只是由于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，才未釀成重大設(shè)備事故，這種裂紋一般為沿凝結(jié)水流動(dòng)方向的延晶裂紋，超聲波探傷時(shí)，探頭沿管孔環(huán)向移動(dòng)，缺陷的檢出率相對(duì)較高。

圖6 集汽聯(lián)箱管座部位產(chǎn)生裂紋示意圖

圖7 連接集汽聯(lián)箱管座發(fā)生裂紋實(shí)物圖

圖8 T型接頭部位集汽聯(lián)箱發(fā)生裂紋實(shí)物圖

處理方法如下。

a.按原設(shè)計(jì)圖紙加工新聯(lián)箱管段和新管座，按相關(guān)焊接規(guī)程和熱處理規(guī)程進(jìn)行焊接修復(fù)，探傷、檢驗(yàn)合格后，恢復(fù)保溫，投入使用。但由于新部件加工時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致修復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，所以本次處理不采用這種辦法。

b.由于縮短工期的需求，根據(jù)部件等面積補(bǔ)強(qiáng)原理，本次檢修使用了一種新的修復(fù)工藝，首先反復(fù)打磨和探傷，把聯(lián)箱內(nèi)孔的裂紋徹底清除干凈，按照《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的要求，把消除裂紋后的開孔修復(fù)成符合相關(guān)規(guī)程的坡口形狀(見圖9)，這時(shí)聯(lián)箱開孔的直徑遠(yuǎn)大于原始的開孔(見圖10)，根據(jù)《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》的內(nèi)容和要求，必須進(jìn)行等面積的補(bǔ)強(qiáng)才能滿足原部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，根據(jù)加工成的坡口尺寸測(cè)繪加工一個(gè)較原有尺寸大的管座(見圖11)，一是滿足填滿聯(lián)箱新內(nèi)孔，滿足等面積補(bǔ)強(qiáng)的要求；二是大管座上口尺寸滿足連接向空排汽管的連接要求，然后根據(jù)焊接工藝進(jìn)行施焊、焊后熱處理，焊后進(jìn)行硬度檢測(cè)、超聲波探傷，檢測(cè)合格后恢復(fù)保溫，投入使用，安全運(yùn)行了15萬h。本工藝由于只需外委加工一個(gè)大的管座，所以修復(fù)施工所需的新部件加工的量較第1種處理辦法大大降低，部件修復(fù)的焊接量大大減少，并且節(jié)約了使用合金部件的數(shù)量，總體極大地縮短了修復(fù)時(shí)間。

圖9 清除裂紋后開孔

圖10 集汽聯(lián)箱原始開孔

圖11 修復(fù)后管座

由于系統(tǒng)和部件的特點(diǎn)，這種存在有規(guī)律發(fā)生，并且逐漸發(fā)展缺陷的部件，在機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，要列為必檢項(xiàng)目，加強(qiáng)日常監(jiān)督，確保安全。

3 50 MW機(jī)組爐側(cè)主汽管道接點(diǎn)火管路母材損壞

50 MW機(jī)組的主蒸汽管道立管的點(diǎn)火管路三通，水平焊裝在管道的側(cè)壁。其工作原理：本機(jī)組為相鄰機(jī)組提供機(jī)組點(diǎn)火啟動(dòng)的推動(dòng)汽源，相鄰機(jī)組啟動(dòng)完成后，本管路就關(guān)閉。因?yàn)殡S遠(yuǎn)離母管的管段溫度逐漸降低，使冷凝水汽經(jīng)常積存在水平管段，而隨著機(jī)組啟停和參數(shù)波動(dòng)，使水平管的溫度發(fā)生波動(dòng)，極易使這一部位的管段產(chǎn)生熱疲勞裂紋。原遼電的點(diǎn)火管路三通Φ273×18 mm的主蒸汽管道垂直管段上Φ168×8 mm的水平導(dǎo)出管母材就發(fā)生過熱疲勞爆管，見圖12。管孔下部管壁就是由于這一原因而產(chǎn)生熱疲勞裂紋，設(shè)備檢修時(shí)，對(duì)這一部位必須進(jìn)行嚴(yán)格超聲波檢測(cè)，一般機(jī)組運(yùn)行約5萬h左右就能產(chǎn)生宏觀裂紋，對(duì)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問題的管段每次需更換長(zhǎng)約600 mm的管段，才能確保安全，因此這種結(jié)構(gòu)的部件，也要成為每次停機(jī)檢修的必檢項(xiàng)目。要注意的是水平接管的裂紋一般主裂紋為環(huán)向裂紋，因此超聲波探傷時(shí)探頭移動(dòng)方向沿著水平管軸向移動(dòng)的檢出率最高。

(a)水平導(dǎo)出管裂紋部位

4 結(jié)論

a.對(duì)未進(jìn)行加強(qiáng)的T型焊接結(jié)構(gòu)必須按相關(guān)規(guī)范要求加裝管座，東方公司匯流排改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，到現(xiàn)在運(yùn)行近10萬h未發(fā)生泄漏事故。

b.改變運(yùn)行方式，減少機(jī)組啟停，避免熱疲勞損壞。

c.管座應(yīng)采用整體鍛制成形的熱加工工藝，材料的化學(xué)成分應(yīng)與所連接的主設(shè)備相當(dāng)。管座根部的凹窩及主設(shè)備開孔內(nèi)外壁要保證粗糙度合格，以提高耐疲勞性能。

d.焊接材料及焊接、熱處理工藝均須符合焊接規(guī)程規(guī)定。