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(wàn)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。
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(wàn)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(wàn)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
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(wàn)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。
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(wàn)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
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(wàn)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。