某電廠高壓調(diào)汽門(mén)EH油管斷裂原因

劉文生

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司中南電力試驗(yàn)研究院, 鄭州 450000)

EH油管(抗燃油管)由于規(guī)格小且屬于爐外管道(火電廠熱力系統(tǒng)內(nèi)位于鍋爐和汽輪機(jī)本體外部的最高工作壓力大于0.1 MPa的輸送液體的管道)，在設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、檢驗(yàn)、管理等環(huán)節(jié)往往容易被忽視，因而其發(fā)生開(kāi)裂泄漏甚至開(kāi)裂后造成機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)的事故時(shí)有發(fā)生[1-3]。

某電廠3號(hào)機(jī)組4號(hào)高壓調(diào)汽門(mén)(以下簡(jiǎn)稱高調(diào)門(mén))EH油管發(fā)生斷裂并造成機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)，發(fā)生斷裂前累計(jì)服役3萬(wàn)h，該油管正常工作壽命為10萬(wàn)h，屬早期斷裂。該電廠汽輪機(jī)組為國(guó)產(chǎn)的N670-24.2/566/566型670 MW汽輪超臨界機(jī)組，汽輪機(jī)為一次中間再熱、單軸三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。斷裂EH油管位于三通與支管焊縫根部附近，支管材料為0Cr18Ni9不銹鋼，規(guī)格為φ16 mm×2 mm，EH油管母管及三通材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，母管規(guī)格為φ25 mm×2.5 mm，三通與支管以角焊縫形式通過(guò)手工氬弧焊焊接方法焊接成形。為找到該EH油管的斷裂原因，筆者從設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行等方面進(jìn)行分析，并提出了改進(jìn)措施，以期為解決同類(lèi)失效問(wèn)題提供參考。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂EH油管宏觀形貌如圖1所示，可知三通與支管的焊縫為角焊縫，斷口位于角焊縫根部附近；三通的厚度明顯大于支管的，且三通向支管過(guò)渡未采用圓滑過(guò)渡，工藝設(shè)計(jì)上存在缺陷，導(dǎo)致斷口附近成為應(yīng)力集中區(qū)域。

圖1 斷裂EH油管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured EH oil pipe

對(duì)支管斷口進(jìn)行宏觀觀察，可見(jiàn)斷口存在2個(gè)裂紋源、2個(gè)終斷區(qū)，呈對(duì)稱分布；斷口貝紋線不明顯，斷口平齊，呈脆性斷裂特征，見(jiàn)圖2a)。同時(shí)，斷口附近存在明顯打磨痕跡，打磨后沿管子周向產(chǎn)生微小的線性缺陷，線性缺陷擴(kuò)展成為微裂紋，見(jiàn)圖2b)。判斷線性缺陷應(yīng)為焊接前打磨產(chǎn)生。

圖2 斷裂EH油管支管斷口及斷口側(cè)面微裂紋形貌Fig.2 Morphology of fracture and micro cracks on the side of fractured EH oil pipe branch pipe:a) fracture; b) micro cracks on the side of fracture

1.2 金相檢驗(yàn)

圖3為斷裂EH油管支管的顯微組織形貌。由圖3a)可知,裂紋源區(qū)附近外表面存在微裂紋，與宏觀觀察結(jié)果一致；由圖3b)可知,斷口處內(nèi)外壁顯微組織不均勻；圖3c)為EH油管支管遠(yuǎn)離斷口處外壁的顯微組織形貌，可見(jiàn)組織為奧氏體，為典型的等軸晶組織，組織正常；圖3d)為EH油管支管遠(yuǎn)離斷口處內(nèi)壁的顯微組織形貌，可見(jiàn)組織為奧氏體，呈帶狀分布，判斷EH油管支管內(nèi)外壁顯微組織差異較大可能與其生產(chǎn)制造過(guò)程中固溶處理不完全有關(guān)。

圖3e)，f)為斷口及其附近的顯微組織形貌，可見(jiàn)斷口邊緣及附近顯微組織為奧氏體+形變馬氏體組織，而圖3c)，d)中遠(yuǎn)離斷口的顯微組織中未見(jiàn)形變馬氏體組織，即形變馬氏體非制造過(guò)程中產(chǎn)生，應(yīng)為運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的[4]。斷口附近未見(jiàn)分支裂紋及沿晶裂紋，可排除應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕的可能性。

圖3 斷裂EH油管支管不同位置處的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of fractured EH oil pipe branch pipe at different positions:a) morphology of micro cracks on the outer wall near crack source region；b) microstructure morphology of fracture； c) microstructuremorphology of outer wall far away from fracture; d) microstructure morphology of inner wall far away from fracture；e) microstructure morphology of inner wall of fracture； f) microstructure morphology of inner wall near fracture

1.3 顯微硬度測(cè)試

對(duì)斷口邊緣、斷口附近及遠(yuǎn)離斷口母材區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試順序?yàn)閺臄嗫谶吘夐_(kāi)始逐漸向遠(yuǎn)離斷口方向，每?jī)蓚€(gè)硬度點(diǎn)間隔0.2 mm，直到硬度變化較小為止，遠(yuǎn)離斷口部位分別測(cè)量外壁側(cè)與內(nèi)壁側(cè)顯微硬度。硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知,從斷口邊緣到遠(yuǎn)離斷口處，外壁側(cè)的硬度逐漸降低，且斷口邊緣硬度明顯高于其他部位。因?yàn)閿嗫谶吘夛@微組織為形變馬氏體組織，遠(yuǎn)離斷口處為奧氏體組織，而馬氏體的硬度遠(yuǎn)高于奧氏體的。遠(yuǎn)離斷口處外壁側(cè)的硬度明顯低于內(nèi)壁側(cè)的，這與內(nèi)壁側(cè)固溶不完全引起帶狀組織有關(guān)。

表1 斷裂EH油管支管的顯微硬度Tab.1 Microhardness of fractured EH oil pipe branch pipe HV1

2 運(yùn)行情況分析

查閱3號(hào)機(jī)組EH油管斷裂前歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),運(yùn)行中與EH油管相對(duì)應(yīng)的4號(hào)高調(diào)門(mén)存在間斷的伺服閥線圈電壓波動(dòng)、指令與反饋偏差大、閥門(mén)開(kāi)度波動(dòng)等情況，4號(hào)高調(diào)門(mén)VP(閥位)卡故障、接線松動(dòng)、外界信號(hào)干擾等因素均可能引起4號(hào)高調(diào)門(mén)VP卡輸出波動(dòng)，進(jìn)而引起4號(hào)高調(diào)門(mén)波動(dòng)。

EH油管發(fā)生斷裂后，對(duì)斷裂處進(jìn)行緊急搶修工作，重新焊接后機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，因VP卡在線更換和檢測(cè)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生較大的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采取了臨時(shí)措施，將閥序由原來(lái)的4/3-2-1更改為1/2-3-4，為了防止4號(hào)高調(diào)門(mén)波動(dòng)，強(qiáng)制關(guān)閉4號(hào)高調(diào)門(mén)，機(jī)組負(fù)荷暫時(shí)由GV1(1號(hào)高壓調(diào)汽門(mén))、GV2和GV3進(jìn)行調(diào)節(jié)。在機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行1 360 h后，機(jī)組計(jì)劃停機(jī)，停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn),4號(hào)高調(diào)門(mén)VP卡接線端子松動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)VP卡進(jìn)行更換處理。

3 原因分析

以上檢驗(yàn)結(jié)果表明，斷口位于EH油管三通與支管連接角焊縫附近，同時(shí)三通與支管角焊縫部位未采用圓滑過(guò)渡，設(shè)計(jì)上存在缺陷，導(dǎo)致三通與支管連接部位成為應(yīng)力集中區(qū)域；斷口處存在2個(gè)裂紋源區(qū)與2個(gè)終斷區(qū)，斷口平齊，呈脆性斷裂特征；斷口附近存在沿管子周向的打磨線性缺陷，線性缺陷擴(kuò)展成為微裂紋。

EH油管支管遠(yuǎn)離斷口外壁側(cè)顯微組織為典型的等軸晶奧氏體組織，顯微組織正常，且硬度正常，遠(yuǎn)離斷口處內(nèi)壁側(cè)顯微組織呈明顯的帶狀分布，且其硬度明顯高于外壁側(cè)的。EH油管支管內(nèi)外壁顯微組織差異較大與其生產(chǎn)制造過(guò)程中固溶處理不完全有關(guān)，管子加工成形后一般通過(guò)固溶處理改善其組織狀態(tài)，若加熱過(guò)程中保溫時(shí)間較短，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)壁合金元素來(lái)不及充分?jǐn)U散而使得部分組織保留下來(lái)；斷口邊緣及附近為典型形變馬氏體組織，形變馬氏體產(chǎn)生應(yīng)與該區(qū)域存在應(yīng)力集中且在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中承受交變應(yīng)力有關(guān)，形變馬氏體組織硬度高于奧氏體的，從而導(dǎo)致了斷口附近硬度增大、脆性增大。

奧氏體不銹鋼基體組織中存在滑移帶和孿晶，塑性變形過(guò)程中，奧氏體組織內(nèi)滑移帶、孿晶密度不斷增加，滑移線相互交錯(cuò)排布，隨著塑性變形進(jìn)一步增加，滑移帶相互交割，奧氏體組織逐漸向馬氏體組織轉(zhuǎn)變，該轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц袂凶兦覟榉菙U(kuò)散型的轉(zhuǎn)變。塑性變形過(guò)程中，材料內(nèi)部的位錯(cuò)增加，導(dǎo)致硬度隨應(yīng)變?cè)黾佣示€性增大[5-8]。

4號(hào)高調(diào)門(mén)VP卡接線端子松動(dòng)，引起4號(hào)高調(diào)門(mén)VP卡輸出波動(dòng)，造成了4號(hào)高調(diào)門(mén)的波動(dòng)，而高調(diào)門(mén)的波動(dòng)導(dǎo)致了EH油管發(fā)生振動(dòng)，在EH油管三通與支管連接角焊縫的應(yīng)力集中區(qū)域形成較大的交變應(yīng)力，不斷循環(huán)的交變應(yīng)力使得該部位顯微組織發(fā)生形變，形成形變馬氏體，形變馬氏體硬度高、脆性大，隨著工作時(shí)的不斷振動(dòng)，形變馬氏體數(shù)量增加，從而導(dǎo)致該部位的硬度、脆性增大，同時(shí)三通設(shè)計(jì)上的缺陷及打磨線性缺陷的存在，最終EH油管支管發(fā)生脆性斷裂。

4 結(jié)論及建議

綜合以上情況，3號(hào)機(jī)組4號(hào)高調(diào)門(mén)EH油管發(fā)生斷裂的主要原因?yàn)?號(hào)高調(diào)門(mén)VP卡接線端子松動(dòng)引起高調(diào)門(mén)波動(dòng)，造成了EH油管支管振動(dòng)；在三通與支管連接角焊縫的應(yīng)力集中區(qū)域形成較大的交變應(yīng)力，使得該部位組織發(fā)生形變，形成形變馬氏體，形變馬氏體的硬度高，脆性大，從而導(dǎo)致該部位硬度升高、脆性增大；同時(shí)三通設(shè)計(jì)上存在缺陷及打磨線性缺陷的存在，最終EH油管支管發(fā)生了脆性斷裂。

建議更換EH油管同類(lèi)型三通；EH油管焊接前需打磨時(shí)優(yōu)先采用百葉輪打磨；加強(qiáng)運(yùn)行管理，如有振動(dòng)情況應(yīng)及時(shí)查明原因并采取措施。