余熱鍋爐再熱蒸汽疏水管焊縫失效原因分析及優(yōu)化

浙江浙能金華燃機(jī)發(fā)電有限責(zé)任公司 何飛德 盧宏建 應(yīng) 飛

常山燃機(jī)#1余熱鍋爐為NG-M701F4-R型，三壓、再熱、臥式、無(wú)補(bǔ)燃、自身除氧、自然循環(huán)燃機(jī)余熱鍋爐，鍋爐整體向下膨脹脹。#1機(jī)組2014年投產(chǎn)至今累計(jì)運(yùn)行約5500h，啟停330次，中壓再熱主汽溫度約為568℃，壓力約為4.05MPa。2020年初#1爐啟動(dòng)過(guò)程中再熱主汽疏水管泄漏，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)隔離閥前直管段與彎頭的焊接接頭處斷裂。疏水直管段材質(zhì)為SA335P91，規(guī)格為φ60.3mm×5.54mm；彎頭材質(zhì)為SA234WP91，規(guī)格為90°LR彎頭2”-Sch80。為明確焊口失效原因，對(duì)失效部件斷口形貌的宏觀檢查，部件進(jìn)行光譜、金相、硬度檢驗(yàn)分析。

1 宏觀檢查及成分分析

中再熱主汽疏水管泄漏部位位于疏水直管段與第二個(gè)90°彎頭出口對(duì)接焊縫處開(kāi)裂（圖2），裂紋在焊縫與彎頭熱影響區(qū)之間的區(qū)域擴(kuò)展，裂穿整根管，外觀形貌見(jiàn)圖3所示。直管道與彎頭母材內(nèi)外壁有輕微的氧化皮層，管壁無(wú)明顯減薄、內(nèi)部無(wú)裂紋，斷口形貌顯示靠近彎頭內(nèi)側(cè)下方位置有陳舊的銹蝕痕跡，而斷口其余部分較為新鮮仍有金屬光澤。初步判斷，開(kāi)裂起始于彎頭內(nèi)側(cè)下方位置，擴(kuò)展至整個(gè)焊口，最后撕裂斷開(kāi)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 管道布置示意圖

圖3 外觀形貌

#1爐中壓再熱器2出口蒸汽集箱疏水管斷口下游約0.5米位置有1處金屬抱箍，且鎖緊（圖4），形成一個(gè)相對(duì)死點(diǎn)，在余熱鍋爐啟停過(guò)程中，主管道帶動(dòng)疏水管產(chǎn)生膨脹位移時(shí)，該位置疏水管水平、垂直方向自由膨脹移動(dòng)受限。冷熱態(tài)對(duì)中壓再熱器2出口蒸汽集箱水平、垂直方向位移量檢測(cè)，水平沿介質(zhì)流向最大位移量約5cm。

圖4 抱箍支架型式

對(duì)失效位置部件-直管道、彎頭、焊縫進(jìn)行材質(zhì)及成分分析,其合金元素成分的檢測(cè)結(jié)果符合國(guó)標(biāo)10Cr9Mo1VNbN的要求，焊接材料和母材屬于同種材質(zhì)焊接。直管段、彎頭、焊縫中各元素成分分別為：C 0.08/0.1/0.11、Mn 0.5/0.4/0.55、Si 0.3/0.35/0.23、Cr 9.15/8.82/8.67、Mo 0.86/0.91/0.88、V 0.22/0.18/0.2、Nb 0.09/0.08/0.08、P 0.006/0.01/0.005、N 0.04/0.05/0.05、Ni 0.1/0.3/0.2。

2 金相、硬度分析

對(duì)斷口的起始處、撕裂處及彎頭分別取樣做金相分析。斷口起始處的金相組織不佳，馬氏體晶粒十分粗大，在基體中發(fā)現(xiàn)有大塊的鐵素體（圖5a），會(huì)導(dǎo)致焊縫韌性下降。在斷口附近存在橫向的微裂紋（圖5b），穿晶開(kāi)裂，說(shuō)明管材受到拉應(yīng)力。斷口撕裂處的金相組織不佳，馬氏體晶粒十分粗大，在基體中也發(fā)現(xiàn)有大塊的鐵素體，以及一些凝固晶界（圖6），上述特征都會(huì)導(dǎo)致焊縫韌性下降。

圖5 斷口起始處金相

圖6 斷口撕裂處金相

對(duì)失效部件-焊縫顯微硬度檢測(cè)。初始斷口附近的焊縫組織硬度非常高，最高值達(dá)到440HV（約為415HBW）。DL/T 869-2012規(guī)定：T/P91鋼焊縫硬度不超過(guò)母材布氏硬度值加100HBW，且不超過(guò)300HBW。檢測(cè)結(jié)果顯示，初始斷口附近的焊縫組織硬度超標(biāo)。

對(duì)失效部件-彎頭顯微硬度檢測(cè)，從外壁到內(nèi)壁逐漸升高，最高值達(dá)到261HV（約為248HBW）。根據(jù)ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第II卷A篇2007版規(guī)定：中、高溫用鍛制碳鋼和合金鋼管道配件用的SA234WP91，最高硬度為248HBW。檢測(cè)結(jié)果顯示，彎頭硬度最高值已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的上限。

3 失效分析

由上述失效部件位置管道、彎頭、焊縫化學(xué)成分、理化、硬度檢驗(yàn)結(jié)果可知，管道、彎頭的化學(xué)成分、雜質(zhì)物含量、顆粒度及顯微組織基本滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，而焊縫及熱影響區(qū)的硬度、晶粒度存在異常，且斷裂焊縫及熱影響區(qū)硬度大幅超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值（最高達(dá)415HBW）。經(jīng)查閱該焊口原始焊接相關(guān)檢驗(yàn)資料，射線檢測(cè)報(bào)告顯示合格，但未發(fā)現(xiàn)焊后硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)，考慮該管段的運(yùn)行最高運(yùn)行溫度568℃，按照TP91材質(zhì)特性，不可能由鍋爐運(yùn)行溫度過(guò)高導(dǎo)致，且附近母材硬度正常?？赏茢喑觯夯〞r(shí)直管段和彎頭對(duì)接焊后，未對(duì)焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力、降硬度的焊后熱處理，故焊縫融合線附近區(qū)域會(huì)存在較大的殘余應(yīng)力[1]，且在距熔合線一定距離處應(yīng)力將達(dá)到最大值，這與焊縫中裂紋沿平行于熔合線方向擴(kuò)展吻合。

中再熱主汽疏水管斷裂焊縫下游安裝的金屬抱箍+支架結(jié)構(gòu)實(shí)際上固定了管道的豎直向自由度和一個(gè)水平向自由度，僅保留了管道軸向1個(gè)水平方向的自由度。因再熱蒸汽管道運(yùn)行溫度較高，產(chǎn)生的膨脹量較大，而采用上述簡(jiǎn)易導(dǎo)向支架將會(huì)導(dǎo)致管道膨脹受阻。另外#1余熱鍋爐是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組配套調(diào)峰發(fā)電鍋爐，每年的機(jī)組啟停次數(shù)多達(dá)130次，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期重復(fù)性的啟停，該焊縫會(huì)逐漸產(chǎn)生應(yīng)力疲勞。

在基建期間，鍋爐范圍內(nèi)壓力管道主要由鍋爐廠配套設(shè)計(jì)和提供，針對(duì)小口徑管道的設(shè)計(jì)、安裝、檢驗(yàn)，容易被設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理、業(yè)主所忽視，較多的小口徑管道都沒(méi)有納入的鍋爐廠或設(shè)計(jì)院的配套設(shè)計(jì)范圍，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)布局、安裝合理性存在差異。

本次#1爐中壓再熱主汽疏水管焊縫及熱影響區(qū)硬度大幅超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值上限，焊縫處韌性差是造成開(kāi)裂的內(nèi)部原因，管道抱箍阻礙膨脹受阻在重復(fù)的啟停后產(chǎn)生應(yīng)力疲勞是造成開(kāi)裂的外部原因。

4 防范措施及建議

更換受損的管件，焊接、后焊嚴(yán)格TP91材料焊接工藝、焊后熱處理應(yīng)嚴(yán)格按照DLT86《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行；將斷裂焊縫下游安裝的金屬抱箍+支架結(jié)構(gòu)改為彈簧吊架形式以滿足管道的自由膨脹；嚴(yán)格按照DL／T438《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求，做好TP91管道焊縫的硬度、射線預(yù)防性定期檢測(cè)；建議將金屬技術(shù)監(jiān)督范圍內(nèi)的管道，特別是小口徑管道應(yīng)納入主機(jī)廠配套設(shè)計(jì)范圍，設(shè)計(jì)、安裝、檢驗(yàn)應(yīng)等同于主管道進(jìn)行管理。