電站鍋爐集箱等承壓部件提前失效原因及預(yù)防措施分析

周雪峰

（湖州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 湖州 313000）

中、高參數(shù)鍋爐由于壓力和溫度的提高在設(shè)計(jì)、制造和安裝過(guò)程中不可避免地會(huì)使用厚壁材料和各種合金材料。厚壁材料和合金材料存在焊接層數(shù)多、可焊性較差、焊接過(guò)程線能量較大、相對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)不易進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)等不利因素。為保證安全質(zhì)量，從設(shè)計(jì)到安裝環(huán)節(jié)均需精心控制各段質(zhì)量，尤其是焊后熱處理環(huán)節(jié)對(duì)于保證質(zhì)量至關(guān)重要。焊后熱處理目的是消除焊接或冷、熱加工帶來(lái)的殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的組織和性能，降低冷、熱加工帶來(lái)的局部應(yīng)力，防止延遲裂紋的產(chǎn)生，是后期承壓運(yùn)行、保障安全的一道重要工序。

然而筆得在檢驗(yàn)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)由于未嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝和疏于質(zhì)量控制，造成了中、高參數(shù)鍋爐承壓部件提前（未使用或服役期不長(zhǎng)）失效。本文通過(guò)舉例并剖析歷年來(lái)在電站鍋爐部件制造監(jiān)檢和安裝現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的由于熱處理不當(dāng)造成承壓部件失效的案例，深入分析監(jiān)督檢驗(yàn)過(guò)程中熱處理工序時(shí)段存在的問(wèn)題，從熱處理設(shè)備、熱處理工藝、過(guò)程及檢驗(yàn)結(jié)果偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定等多方面分析問(wèn)題形成的原因，并針對(duì)性提出相關(guān)措施，切實(shí)從制造、安裝等源頭上控制電站鍋爐承壓元件的安全質(zhì)量。

1 熱處理不當(dāng)造成失效案例及原因淺析

1.1 案例1

1）情況描述：某制造企業(yè)生產(chǎn)的8支屏式過(guò)熱器進(jìn)、出口集箱（以下簡(jiǎn)稱屏過(guò)集箱），規(guī)格為φ219 mm×21 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG。制造完成后依據(jù)用戶要求按DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV 鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行金相組織分析[1]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多數(shù)集箱母材金相組織出現(xiàn)珠光體或貝氏體形態(tài)消失等球化和硬度下降等現(xiàn)象，其中球化級(jí)別為4 級(jí)的有2 支，硬度測(cè)定為HB127、123；3.5 級(jí)的有3 支，硬度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定為HB135、138、140；剩余2 支為2 級(jí)、3 級(jí)，硬度測(cè)定為HB172、153。而用戶要求球化級(jí)別不超過(guò)2.5級(jí)，本產(chǎn)品中有7 支均在2.5 級(jí)以上。該批屏過(guò)集箱的實(shí)景照片見(jiàn)圖1 和圖2，現(xiàn)場(chǎng)金相組織檢測(cè)圖像見(jiàn)圖3～圖8，部分評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 屏過(guò)集箱

圖2 屏過(guò)集箱1-1 現(xiàn)場(chǎng)金相取點(diǎn)位置

圖3 屏過(guò)集箱1-1 端部1 金相組織（200×）

圖4 屏過(guò)集箱1-1 端部1 金相組織（500×）

圖5 屏過(guò)集箱1-1 近中段金相組織（200×）

圖6 屏過(guò)集箱1-1 近中段金相組織（500×）

圖7 屏過(guò)集箱1-4 端部1 金相組織（200×）

圖8 屏過(guò)集箱1-5 端部1 金相組織（200×）

表1 部分屏過(guò)集箱金相組織分析結(jié)果

2）原因分析：該制造單位生產(chǎn)A 級(jí)鍋爐部件，配備了熱處理爐（見(jiàn)圖9、圖10）和局部熱處理設(shè)備。該單位熱處理工藝規(guī)定：對(duì)于集箱類部件，一般入熱處理爐進(jìn)行整體熱處理完成焊后熱處理工序；對(duì)于具有彎管或多維立體形狀的不規(guī)則管狀設(shè)備，采取局部熱處理設(shè)備（加熱裝置）對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理。

圖9 熱處理爐全貌

圖10 熱處理爐加熱裝置

對(duì)該設(shè)備和處理過(guò)程進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)存在下列問(wèn)題（見(jiàn)表2）：熱處理爐內(nèi)加熱裝置均設(shè)置在爐底部，兩側(cè)面未設(shè)置加熱裝置；同樣熱電偶僅設(shè)置于爐底部，中上部則未設(shè)置。制造單位將本產(chǎn)品8 支屏過(guò)集箱放入該爐中作為一批處理，放滿待處理工件后，由于工件疊加原因，底部熱電偶測(cè)到的溫度不能真實(shí)反映位于裝爐中上部的工件溫度，疊放于下部的工件出現(xiàn)超溫現(xiàn)象導(dǎo)致金相組織異常變化；用于控溫測(cè)溫的熱電偶未定期進(jìn)行校驗(yàn)，使測(cè)得的溫度偏離規(guī)定值，當(dāng)溫度偏高時(shí)引發(fā)超出熱處理工藝卡規(guī)定的該材料溫度上限，直接導(dǎo)致部件金相組織和硬度等指標(biāo)不合格；該熱處理爐未按GB/T 9452—2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》的要求進(jìn)行有效加熱區(qū)和溫度均勻性定期檢測(cè)，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)各層面溫度存在梯度差，也造成了部分組織及理化指標(biāo)不符合要求；爐內(nèi)耐火絕熱層損壞后未及時(shí)修復(fù)，影響熱處理效果。本產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重球化是由于熱處理設(shè)備相關(guān)問(wèn)題和執(zhí)行工藝不嚴(yán)造成。

表2 熱處理爐檢查發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

1.2 案例2

1）情況描述：為某單位生產(chǎn)的過(guò)熱器集箱上接管，在熱處理過(guò)程中由于加熱溫度設(shè)置錯(cuò)誤，造成該批材料外壁顏色發(fā)藍(lán)、氧化皮層明顯且脫落，實(shí)景照片見(jiàn)圖11；金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)晶粒粗大，片層狀珠光體形態(tài)變化等，不同倍數(shù)的金相組織見(jiàn)圖12、圖13。

圖11 接管實(shí)樣

圖12 接管金相組織（200×）

圖13 接管金相組織（500×）

2）原因：熱處理工藝和管理上存在缺陷，如缺少部件專用熱處理工藝，僅根據(jù)通用工藝進(jìn)行，容易造成恒溫溫度和恒溫時(shí)間等工藝參數(shù)選錯(cuò)；熱處理作業(yè)人員責(zé)任心不強(qiáng)。

1.3 案例3

對(duì)某電站鍋爐（額定蒸發(fā)量為220 t/h，額定工作壓力和溫度分別為9.8 MPa、540 ℃）安裝現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)檢，匯總了如下熱處理問(wèn)題：

1）屏式過(guò)熱器進(jìn)口集箱（12Cr1MoVG 材質(zhì)）與低溫過(guò)熱器出口集箱間連通管（20G 材質(zhì)，φ273 mm×16 mm）的連接焊縫為異種鋼焊縫，該熱處理工藝卡制定時(shí)熱處理恒溫溫度和時(shí)間以12Cr1MoVG 材質(zhì)進(jìn)行選擇，恒溫溫度和時(shí)間未按相應(yīng)規(guī)范要求進(jìn)行選擇，工藝執(zhí)行后影響熱處理結(jié)果。

2）對(duì)結(jié)構(gòu)特殊的三通等管件焊縫采取局部熱處理時(shí)，未全部包覆該管件造成溫度不均；管狀部件焊縫熱處理時(shí)兩端管口未絕熱封堵，內(nèi)、外壁存在較大溫度梯度；保溫材料覆蓋寬度不足（沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的2 倍加熱帶寬度）、厚度不足，保溫層捆扎使用鐵絲且捆扎處壓縮成溝，導(dǎo)熱系數(shù)增大，影響保溫效果；由于存在上述問(wèn)題，導(dǎo)致熱處理效果差，還產(chǎn)生了附加應(yīng)力。

3）12Cr1MoVG 材質(zhì)焊縫、規(guī)格為φ325 mm×16 mm 的主蒸汽母管，工藝需要進(jìn)行焊前預(yù)熱的，在實(shí)際執(zhí)行中未進(jìn)行；焊后沒(méi)有立即進(jìn)行熱處理，也沒(méi)有進(jìn)行后熱（消氫）處理，且工藝卡和焊接及熱處理作業(yè)指導(dǎo)書(shū)也沒(méi)有對(duì)出現(xiàn)這種情況需要進(jìn)行后熱處理的規(guī)定。

4）安裝現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)同批次處理焊口數(shù)超出熱處理設(shè)備規(guī)定，導(dǎo)致一些焊口未進(jìn)行溫度等參數(shù)的全程監(jiān)控和記錄。

5）安裝期間時(shí)值春末夏初，雷陣雨時(shí)常出現(xiàn)，安裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)置放于露天的工件因氣候突變未采取相關(guān)措施，影響處理效果。

6）熱電偶均采用綁扎的安裝方式，熱電偶夾于工件（焊縫等）與加熱裝置中間，熱電偶端部直接受到烘烤，所顯示熱處理恒溫溫度具有正誤差，不能代表工件實(shí)際溫度。

7）部分熱處理實(shí)時(shí)曲線不能真實(shí)反映熱處理設(shè)備和熱處理過(guò)程實(shí)況；熱處理人員未準(zhǔn)確如實(shí)填寫熱處理記錄、未注明曲線代表具體焊口號(hào)、對(duì)過(guò)程全程未進(jìn)行有效跟蹤；熱處理責(zé)任人員未嚴(yán)格把好工藝制定及交底關(guān)、熱處理記錄報(bào)告及曲線與工藝一致性審核關(guān)。

2 預(yù)防措施分析

2.1 基于熱處理工序監(jiān)檢的防范措施

熱處理工序在承壓設(shè)備制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝中具有及時(shí)性顯著特點(diǎn)。在制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)檢至熱處理工序前夕，應(yīng)及時(shí)核查熱處理作業(yè)指導(dǎo)書(shū)和工藝卡的制定情況、熱處理人員（責(zé)任人員和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施作業(yè)人員）和熱處理設(shè)備配置情況。熱處理開(kāi)始后應(yīng)及時(shí)至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)檢，而不是只在事后對(duì)熱處理記錄、報(bào)告和曲線進(jìn)行核查。對(duì)熱處理設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢查內(nèi)容應(yīng)包括整套熱處理設(shè)備的完整性和完好性；熱電偶及相關(guān)儀表等是否在規(guī)定的檢定有效期內(nèi)，尤其應(yīng)核查熱電偶的檢定情況；過(guò)程曲線記錄打印設(shè)備是否可用，應(yīng)在熱處理工序開(kāi)始前至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試檢查。熱處理過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常至現(xiàn)場(chǎng)跟蹤檢查，檢查現(xiàn)場(chǎng)熱電偶放置數(shù)量及熱電偶安裝是否符合要求，保溫層厚度及捆扎等是否符合要求，曲線是否在正常跟蹤打印，必要時(shí)用測(cè)溫儀測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)熱處理溫度。熱處理結(jié)束后及時(shí)檢查相關(guān)記錄、曲線是否符合要求，并檢查焊縫硬度測(cè)定情況，硬度測(cè)定值是否符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，出現(xiàn)硬度值不符合要求的應(yīng)核查是否已進(jìn)行后續(xù)的金相檢測(cè)或重新熱處理等程序。

2.2 制造和安裝單位在熱處理工序?qū)嵤┻^(guò)程應(yīng)采取的措施

中、高參數(shù)鍋爐材料和規(guī)格繁多，熱處理工作應(yīng)符合相關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)將付諸制造和安裝的鍋爐從質(zhì)量計(jì)劃、工序?qū)嵤┻^(guò)程中對(duì)本項(xiàng)目熱處理子項(xiàng)予以規(guī)定并與相關(guān)人員交底，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程涉及的熱處理范圍更廣（不同材質(zhì)規(guī)格匯集），因此必須在開(kāi)始前按相應(yīng)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)中要求制定出具體需要進(jìn)行熱處理的相應(yīng)范圍，分材料材質(zhì)、材料規(guī)格等類別不同分別編制詳細(xì)的熱處理工藝，按質(zhì)量體系的規(guī)定及時(shí)履行審核、審批手續(xù)。熱處理人員應(yīng)由熟練且具備相應(yīng)專業(yè)知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)操作能力、富有工作責(zé)任心的人員擔(dān)任。施工單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)熱處理人員的管理，由于熱處理時(shí)間長(zhǎng)，有時(shí)為了不占用施工電源安排在晚上進(jìn)行熱處理，這些給現(xiàn)場(chǎng)管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因此必須加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)值班的管理。對(duì)熱處理過(guò)程中出現(xiàn)的用電故障、氣候突變等異常情況要有預(yù)案，能充分應(yīng)對(duì)并保障熱處理結(jié)果不偏離規(guī)定。

承壓設(shè)備制造在分工中越來(lái)越細(xì)化，部件制造和安裝單位將熱處理子項(xiàng)分包也成為一種常業(yè)態(tài)，有相當(dāng)部分元件、部件被分包，有相當(dāng)?shù)臒o(wú)損檢測(cè)專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行該項(xiàng)工作，能力水平難免會(huì)參差不齊。如何考量分包質(zhì)量，委托單位應(yīng)在分包前對(duì)該單位進(jìn)行評(píng)審，特別應(yīng)注意核查這些單位的熱處理能力、設(shè)備狀態(tài)和工藝能力等是否符合相應(yīng)規(guī)程與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；監(jiān)檢單位則應(yīng)對(duì)上述工作進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查、確認(rèn)。對(duì)于承壓設(shè)備制造單位，一般都有相應(yīng)熱處理爐，應(yīng)定期檢查熱處理爐是否符合相關(guān)規(guī)定，GB/T 9452—2012 中規(guī)定的有效加熱區(qū)溫度均勻性測(cè)試有無(wú)定期進(jìn)行、測(cè)試不能滿足要求時(shí)是否及時(shí)處理。對(duì)于局部熱處理，加熱帶、保溫層寬度等是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；三通、閥門等異形管件的熱處理包扎范圍是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；熱電偶安裝、放置部位和數(shù)量是否符合要求。曲線實(shí)時(shí)打印是否真實(shí)有效；杜絕人為修改溫度、時(shí)間等記錄數(shù)據(jù)[2]。

3 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)某鍋爐部件制造單位進(jìn)行產(chǎn)品制造監(jiān)檢時(shí)，時(shí)有發(fā)現(xiàn)由于熱處理不當(dāng)造成集箱、管系微觀組織和硬度等理化指標(biāo)不符合規(guī)范或用戶要求而被判廢。一方面浪費(fèi)了材料，消耗了工時(shí)，由于材料為厚壁、合金材質(zhì)等，其價(jià)值高昂，造成了制造企業(yè)不小的經(jīng)濟(jì)損失；另一方面也耽誤了用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)度。近年來(lái)，尤其在《市場(chǎng)監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于開(kāi)展電站鍋爐范圍內(nèi)管道隱患專項(xiàng)排查整治的通知》（市監(jiān)特函〔2018〕515 號(hào)）發(fā)布以來(lái)[3]，筆得在本轄區(qū)內(nèi)電站鍋爐范圍內(nèi)管道、本體主要連接管道的安裝監(jiān)檢和定期停爐檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了部分管道組成件出現(xiàn)嚴(yán)重球化等狀況，甚至有剛投運(yùn)1年、運(yùn)行小時(shí)數(shù)不足2 000 h 的鍋爐，同時(shí)在制造監(jiān)檢中也發(fā)現(xiàn)了類似狀況，這些已引起上級(jí)主管部門的關(guān)注。而問(wèn)題的產(chǎn)生源于有部分組成件在制造、安裝過(guò)程中熱處理工序出現(xiàn)偏差，因此加強(qiáng)對(duì)熱處理全過(guò)程的有效監(jiān)檢已是當(dāng)務(wù)之急。