在用電站鍋爐主蒸汽閥門安全隱患問題的探討

劉召東 崔維剛 楊忠杰 王 雷

（日照市特種設備檢驗科學研究院 日照 276800）

電站鍋爐是我國火力發(fā)電的主力軍，一旦發(fā)生故障停機或者爆炸會造成巨大經(jīng)濟損失。電站鍋爐閥門是電站鍋爐主機重要的配套設備。近年來，在國內(nèi)外新建的電廠中，隨著采用超超臨界、二次再熱等新技術(shù)的高參數(shù)機組相繼投產(chǎn)運行，大型火電發(fā)電機組中鍋爐配套閥門與其他普通閥門相比工作工況更為惡劣，要求其具有更高的安全性、可靠性、密封性能以及工藝性能。而經(jīng)統(tǒng)計，閥門泄漏問題一直占鍋爐泄漏事故的約40%～60%，已嚴重影響機組能否一次通過水壓和試運行，對后續(xù)鍋爐運行也存在很大的安全隱患。因此，控制鍋爐閥門泄漏問題、降低鍋爐強迫停運時間是提高鍋爐運行可靠性和經(jīng)濟性的關(guān)鍵因素。電站鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐都是大型鍋爐，參數(shù)高，功率大，一旦發(fā)生事故，容易造成群死群傷。電站鍋爐主蒸汽閥門是鍋爐安全運行的重要元件。近年來，山東省內(nèi)多家電站鍋爐單位，在鍋爐壓力管道定期檢驗過程中，發(fā)現(xiàn)主蒸汽閥門（主要是承壓殼體）存在大量超標缺陷，有著較大的安全隱患，并具有普遍性。日照市場監(jiān)督管理局根據(jù)山東省市場監(jiān)管局《關(guān)于開展電站鍋爐主蒸汽管道閥門專項隱患排查治理》[1]的通知，委托筆者單位對全市電站鍋爐主蒸汽閥門進行全面檢測，查出大量超標缺陷，消除了安全隱患。

1 常見閥門

電站鍋爐閥門[2]一般包括鑄造閥門和鍛造閥門。型號主要有Z960Y-P54、140V/DN225、Z92Y-100V、P54-100V/DN250、Z562Y-100I、Z962Y、P54-100/DN250、Z562Y-100I、Z962Y、P54-100/DN250、Z62Y-Pw54、100V/DN200、Z41Y-100I/DN150、Z961Y-P54、140V/DN100、Z961Y-P55、170V/DN225、Z941Y-40I/DN300、6-2500LB/DN150、Z61Y-P55、170V/DN125、Z962Y-140/DN225等系列閥門。閥體主要結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 閥體主要結(jié)構(gòu)

2 檢驗檢測方法和過程

1）宏觀檢驗。檢查閥門的型式、規(guī)格是否滿足鍋爐要求，閥門閥體表面是否有明顯腐蝕、裂紋、泄漏和鑄（鍛）造缺陷。

2）壁厚測定。逐個核查最小壁厚。

3）MT/PT/UT檢測。參照NB/T 47013《承壓設備無損檢測》標準[3]，對閥體逐個進行無損檢測。閥體外表面100%無損檢測（磁粉或滲透檢測），閥體肩部及厚度截面變化大的應力集中部位采用超聲內(nèi)部檢測。超聲波檢測對裂紋、折疊面積狀缺陷敏感，可以檢測缺陷的深度、長度、高度等信息；表面缺陷可采用磁粉或者著色滲透檢測，可有效地檢測表面和近表面的缺陷。

MT（磁粉檢測）工藝參數(shù)：采用交流磁軛法，非熒光磁粉、濕法。為便于觀察，使用反差增強劑。

PT（滲透檢測）工藝參數(shù)：采用Ⅱc-d，C級（高級）靈敏度。

UT（超聲波檢測）工藝參數(shù)：鍛件閥體參照NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》中的承壓設備用碳鋼和低合金鋼鍛件超聲檢測方法及附錄E，鑄鋼材料閥體參照GB/T 7233.2—2010《鑄鋼件超聲檢測 第 2 部分：高承壓鑄鋼件》。

4）光譜篩查。逐個進行光譜檢測，每個閥門不低于3點。發(fā)現(xiàn)4個閥門錯用材質(zhì)。

5）金相檢測。逐個進行金相檢測，每個閥門不低于2點。存在裂紋的閥門，金相組織基本沒變化。

6）硬度檢測。對于額定溫度大于等于450 ℃（參照TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》中附錄J3.15.8規(guī)定）或者運行時間超過5萬h的閥門逐個進行硬度檢測，每個閥門不低于3點。

3 檢驗數(shù)據(jù)分析

筆者單位檢驗人員對大量檢驗一線數(shù)據(jù)進行歸類統(tǒng)計并分析，得閥門判廢數(shù)量及不同材質(zhì)的閥門損傷數(shù)量（比例），見表1?；鹆Πl(fā)電廠在日照市起步較晚，從2002年左右才開始建設，到2021年8朋已增長到83臺次。本次整治共檢測閥門350余只，損傷判廢30余只，經(jīng)對2002～2019年間的相同材質(zhì)、型號閥門進行統(tǒng)計（如圖2所示），發(fā)現(xiàn)閥門失效數(shù)量與使用時間不成正比，無線性比例關(guān)系，這就意味著導致閥門缺陷產(chǎn)生的因素還有很多，如設備運行狀況、使用管理、操作水平等。

表1 閥門判廢統(tǒng)計

圖2 閥門損傷與鍋爐運行（投用）時間關(guān)系

4 缺陷原因分析

4.1 缺陷類型

缺陷主要為裂紋（條狀裂紋和龜裂狀裂紋）、氣孔（單個深孔、密集氣孔）、夾渣等。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，條狀裂紋基本出現(xiàn)在不同厚度截面交界處，龜裂狀裂紋大多出現(xiàn)在閥體中部位置。由于閥體肩部形狀復雜，壁厚變化大，以及閥體內(nèi)部存在夾雜或縮孔等缺陷，造成應力集中，形成裂紋源（見圖3）。在打磨去除表面裂紋時，發(fā)現(xiàn)所有裂紋都是由內(nèi)向外開裂，且大部分裂紋的起始點是夾雜或縮孔（見圖4）。經(jīng)對裂紋周圍部位進行金相分析，未發(fā)現(xiàn)異常。例如材質(zhì)為ZG20CrMoV的金相圖見圖5。

圖3 肩部裂紋

圖4 夾雜或縮孔裂紋

圖5 ZG20CrMoV金相圖

4.2 原因分析

閥門制造按照NB/T 47044—2014《電站閥門》標準設計制造，該標準在檢查、檢驗和試驗項目中規(guī)定了材料復驗、外觀檢查、尺寸檢查、強度試驗和密封試驗等，閥門在使用過程中，隨著運行時間推移，不同型號材質(zhì)閥門會或多或少產(chǎn)生缺陷。1）閥門制造原因。鑄鋼閥門在制造過程中，由于設計、制造工藝的原因，會產(chǎn)生裂紋、夾雜、氣孔、折疊等先天缺陷。這些缺陷會造成局部應力集中，最終成為裂紋危險源。2）檢測檢查有漏檢。鑄件外觀檢查是否執(zhí)行JB/T 7927—2014《閥門鑄鋼件外觀質(zhì)量要求》標準[4]，不低于B級且無熱裂紋的要求；鍛件表面是否無肉眼可見裂紋、夾層、折疊、夾雜缺陷等問題。再者，內(nèi)部缺陷檢測，鑄鋼材料采用射線檢測，鍛件材料采用超聲波或射線檢測，但只是抽查并非100%無損檢測，很難保證合格率100%。3）設備運行管理問題。閥門選用不當，閥門開關(guān)操作不規(guī)范，超范圍參數(shù)運行，不按時檢驗檢測，日常維護保養(yǎng)不及時、不到位等。

4.3 檢測局限性

在用閥門檢驗存在局限性。首先受現(xiàn)場環(huán)境條件限制，不能像在制作過程中那樣進行射線檢測；再者閥門種類繁多、外形尺寸不規(guī)則、鑄鋼材料顆粒度大、材質(zhì)衰減嚴重等，對A型超聲波檢測帶來難度。存在檢測局限性勢必影響檢測質(zhì)量和可靠性，亟須研究探討更加便捷、可靠的檢測技術(shù)或工藝。

5 缺陷處理措施

電站鍋爐主蒸汽閥門殼體缺陷主要是閥體氣孔（單個深孔、密集氣孔）、夾渣、裂紋等。NB/T 47044—2014中第11章規(guī)定了返修要求：1）微缺陷。缺陷去除后壁厚大于圖樣壁厚的最小值，只需將缺陷表面打磨平滑，不用焊補；2）輕缺陷。介于微缺陷和重缺陷之間，缺陷深度大于5 mm時，在缺陷清除后進行焊補；3）重缺陷。缺陷清除后其凹坑超過壁厚的20%或25 mm,或焊補面積大于65 cm2。[2]檢驗發(fā)現(xiàn)，輕缺陷及重缺陷占缺陷總數(shù)的25%，微缺陷占缺陷總數(shù)的75%。

缺陷處理措施：先進行輕微打磨，觀察其發(fā)展狀況，如經(jīng)打磨后，裂紋下面露出氣孔、夾渣缺陷或者出現(xiàn)裂紋不斷擴展情況，則分別進行測厚判定和超聲檢測。對裂紋測量其深度，如超出最小厚度，可進行返修（不包含NB/T 47044—2014標準中所列不允許補焊的類型）處理或直接報廢。

對于需要補焊的閥門，焊補處理一般程序為：1）返修前，施焊單位應找出原因，制定可行的返修方案；2）補焊部位，在補焊前和補焊后均應按原規(guī)定的檢測方法進行檢測；3）同一部位的焊接返修次數(shù)不應超過2次。

檢驗發(fā)現(xiàn)閥門缺陷后，絕大部分電站鍋爐企業(yè)考慮到閥門可焊性差，維修費用昂貴且耗時較長，后續(xù)質(zhì)量沒法保證等因素，綜合分析后，選擇了更換新閥門，消除安全隱患。

6 防范建議

為進一步防范電站閥門事故發(fā)生，保障電站鍋爐安全,提出以下建議：

1）進一步建立和完善電站鍋爐閥門的制造和驗收標準，加強出廠前對電站鍋爐閥門的制造監(jiān)督檢驗，從源頭上對電站鍋爐主蒸汽閥門的制造質(zhì)量進行控制。[5]

2）電廠鍋爐起停中，建議嚴格控制鍋爐升溫和降溫速度，嚴防超溫運行，重視對閥門等承壓部件的保溫工作，以盡量減小溫差應力對承壓部件的破壞。企業(yè)應結(jié)合大小修機會對鍋爐閥門進行跟蹤檢驗，尤其是存在溫差應力的閥門。

3）在鍋爐定期檢驗工作中，應重視和擴大對主蒸汽管道閥門的檢驗，以增加實踐應用中對鍋爐閥門缺陷的可控性，并對電廠加強對閥門的金屬監(jiān)督起到指導作用。

4）加強企業(yè)特種設備專職安全管理員和作業(yè)人員的理論知識培訓，建立閥門事故專項應急預案，提高應急處置能力，確保不發(fā)生事故或者事故發(fā)生時減小事故損失。

綜上所述，筆者認為，閥門運行過程產(chǎn)生缺陷主要與其材質(zhì)、制造質(zhì)量有關(guān)，與使用時間不存在線性比例關(guān)系。因此，要保障閥門的安全使用，必須保證閥門本體質(zhì)量符合標準，加強安全管理人員和作業(yè)人員安全技能培訓，保證檢驗檢測質(zhì)量。通過以上防范措施，方能保障電站鍋爐的安全運行。