主蒸汽管道裂紋原因分析及預防措施

黃橋生,萬克洋,胡 彬

(1.湖南省湘電試驗研究院有限公司,湖南長沙 410007;2.湖南省電力公司試驗研究院,湖南長沙 410007)

主蒸汽管道作為火力發電機組的重要部件,其安全可靠性是發電廠金屬技術監督工作中最為關注的重點問題。近年來,一些運行時間較長的火電廠主蒸汽管道多次發現裂紋,直接危及電廠運行安全。文中結合 2起主蒸汽管道焊接接頭裂紋實例,采用金相、化學元素分析、碳化物分析等試驗方法,綜合分析了裂紋產生的原因,并提出了相應的預防裂紋產生的措施。

1 蒸汽管道焊縫結構及常見缺陷

1.1 運行工況

從 1970年起,我國高參數火電機組主蒸汽管大量采用德國生產的 10CrMo910鋼管。其中用于50 MW和 100 MW的 “薄壁”10CrMo910主蒸汽管,運行 10萬 h左右就進行更換。部分電廠采取適度降溫運行后,目前累計運行時間最長已超過20萬 h,管道進入老齡化狀態。國內 125 MW機組主蒸汽管 (蒸汽參數 540℃,13.7 MPa)數量較多,也采用 10CrMo910鋼管,且至今發現的問題很多〔1〕。

1.2 焊縫結構

主蒸汽管道焊接坡口形式如圖 1所示,現場焊接采用手工鎢極氬弧焊打底、電弧焊填層蓋面方法。

1.3 常見缺陷

主蒸汽管道常見缺陷有:a.預熱溫度、層間溫度控制不均勻,較大的應力和氫的擴散聚集共同

圖 1 主蒸汽管道焊接坡口形式

作用產生近縫區冷裂紋;b.收弧不當形成弧坑時,

弧坑處的雜質較多且熔點較低,冷卻速度較快產生弧坑裂紋;c.高溫下運行時,熱影響區的粗晶區可能產生再熱裂紋;d.焊接接頭中的雜質在奧氏體晶界偏析,引起晶界脆化產生回火脆性;e.其他缺陷。

2 主蒸汽管道裂紋實例 1

2.1 概 況

某電廠 2號爐系哈爾濱鍋爐廠生產,鍋爐型號為 HG670/140-WM10,于1989年 11月投入運行,累計運行 110 216 h,其過熱器出口壓力13.72 MPa,溫度為 540℃,主蒸汽管道材質為10CrMo910,規格為 Ф377 mm×45 mm。2007年 5月 19日,該爐大修磁粉檢查主蒸汽管道上排空氣管接管座角焊縫,發現爐頂右數第 1個對空排汽門管座角焊縫裂紋,見圖 2。

圖 2 某電廠主蒸汽管道角焊縫裂紋位置

2.2 宏觀檢查

現場檢查發現,焊縫裂紋長半圈,最深處約10 mm,裂紋邊緣粗鈍,沿角焊縫周向開裂,裂紋周圍有大量的腐蝕坑并伴隨有腐蝕產物。對空排氣管管系較長,且沒有吊架,也未加保溫,裂紋位置見圖 3。

圖 3 某主蒸汽管道裂紋位置示意圖

2.3 金相組織檢驗

在主排氣管附近蒸汽管道上做金相覆膜試驗,其金相組織為鐵素體 +貝氏體 +碳化物粒子。部分區域貝氏體有分散現象,貝氏體形貌尚存,晶界有少量碳化物,珠光體輕度球化。

2.4 化學成分分析

主蒸汽管道的化學成分結果見表 1,其化學成分符合 ASTM SA335《高溫用無縫鐵素體合金鋼管》關于 10CrMo910鋼各元素含量范圍的規定。

表 1 化學成分分析結果表 %

2.5 碳化物相分析

表 2列出了碳化物相結構測定結果。碳化物相中,Cr元素含量為 24%,Mo元素的含量為66.1%,且碳化物中已出現了 20.58%的穩定相M6C和 33.12%的次穩定相 M23C6。

表 2 碳化物相結構分析結果表 %

2.6 試驗結果分析

試驗表明,該管材質存在一定程度上的輕度球化,但貝氏體形貌尚存;碳化物相中 Mo元素已超標,并出現了穩定相 M6C和次穩定相 M23C6,表明材料組織已經產生了較明顯的老化跡象。但是其化學成分正常。

2.7 裂紋原因

(1)金屬部件長時間在高溫下運行,出現老化的現象,使材料抗疲勞能力下降,從而易于產生疲勞裂紋。

(2)主蒸汽管道上排空氣管管系較長,且沒有固定吊架,運行過程中易產生振動,振動傳遞到根部,產生附加交變應力。

(3)管座角焊縫應力集中及較大焊接殘余應力加速了疲勞裂紋的產生。

3 主蒸汽管道裂紋實例 2

3.1 概 況

某電廠 2號爐系英國 BABCOCK公司制造,鍋爐型式為亞臨界參數一次中間在熱自然循環單汽包固態排渣煤粉爐,于 1991年 12月投入運行,累計運行 10萬 h,其過熱器出口壓力17.5MPa,溫度為543℃,主蒸汽管道材質為 ASTM SA335-872-P22,規格為 Ф421.2 mm×68 mm。2009年 6月 25日,該爐大修超聲波檢查 A側主蒸汽管道電動門進口焊縫有 2處超標缺陷,最大現行缺陷長度為70 mm,見圖 4。

3.2 宏觀檢查

超標缺陷焊縫與閥體側母材連接有約 15mm高的臺階,形成 90°的夾角。2處超標缺陷挖出后經 PT復檢確認為裂紋,與超聲波檢驗情況基本一致,見表 3。其中裂紋 1主要沿電動門側焊縫熔合線分布,裂紋長 65 mm;裂紋 2長 20 mm,裂紋端部可見 2～3 mm的夾雜,為夾雜擴展裂紋。

表 3 缺陷檢驗情況

3.3 化學成分分析

鋼管化學成分按照金屬化學分析法進行,化學分析結果見表 4。其化學成分符合 ASTM SA335標準中各元素含量范圍的規定。

表 4 化學成分分析結果表 %

3.4 硬度檢查

用便攜式里氏硬度計對裂紋附近的主蒸汽管母材、焊縫、閥體進行硬度試驗,發現主蒸汽管道母材硬度偏低,見表 5。

表 5 硬度試驗結果表 HB

3.5 金相組織檢驗

主蒸汽管道上做金相覆膜試驗,其金相組織為鐵素體 +灰塊狀組織 (鐵素體 +碳化物粒子)。其中,呈灰塊狀的貝氏體組織已發生明顯分散,其中彌散分布著大量碳化物粒子,一些區域貝氏體的殘留形貌尚存。

3.6 試驗結果分析

該管材質的確存在一定程度上的球化,貝氏體已發生了明顯分散,硬度降低。以上試驗表明,主蒸汽管道在長期高溫高壓下運行,持久強度等使用性能逐漸下降,蠕變損傷增加,其焊接缺陷產生的微裂紋易在應力作用下逐漸延伸擴展。

3.7 裂紋原因

(1)管道母材高溫下長時間運行后,硬度偏低,出現了老化現象,使材料抗疲勞能力有所下降,從而易于產生疲勞裂紋。

(2)焊縫內存的夾雜破壞了基體金屬的均勻連續性,減少了基體金屬的承載截面積,并產生應力集中,對構件危害較大。這些缺陷直接形成疲勞裂紋源。

(3)焊接接頭兩側母材的壁厚偏差較大,焊縫表面與母材之間形成了約 90°的夾角。從而造成結構的不連續性,產生應力集中,使熔合線處成為該焊接接頭的薄弱部位。

(4)該機組已累計運行 10萬 h,期間啟停數十次。機組啟停過程,主蒸汽管系由熱脹冷縮等變形受約束而產生二次應力,也是造成疲勞裂紋的主要原因。

4 裂紋原因綜合分析

主蒸汽管道裂紋產生的類型多種多樣,裂紋的起因各異,但很多裂紋的形成多具有一定的規律性,歸納起來主要有:(1)與設備結構、工作環境有很大的關系,當焊接結構處于結構中應力較大的區域時,容易引發裂紋的形成。(2)外界因素也會對裂紋的產生和擴展造成一定的影響。 (3)焊接過程中存在的焊接缺陷也是裂紋產生的主要原因之一。

5 結論及預防措施

5.1 結 論

焊縫上存在的缺陷是產生裂紋的根源。主蒸汽管道運行 10萬 h以上,其金屬部件長時間在高溫下運行出現老化現象,使材料抗疲勞能力下降是產生裂紋的主要原因;焊接管座時產生的殘余應力有助于疲勞裂紋的產生〔2〕;管系和焊縫結構設計的不合理而產生的應力有助于疲勞裂紋擴展〔3〕。

5.2 防治措施

在管道施工中嚴格執行焊接工藝,高度重視焊接質量,焊后進行 100%的無損檢測。焊后熱處理后應進行硬度檢驗,確認熱處理效果。為避免應力集中和結構的不連續性,應保證焊縫與母材表面的圓滑過渡。對于管系較長的應安裝支吊架,改善管系的應力狀況。加強運行過程的監控,提高運行水平,避免因運行原因形成額外的附加應力。

〔1〕林忠元,等.125MW機組 10CrMo910主蒸汽管運行 11.7萬 h后使用性能 〔J〕.華東電力,2003,2(1):36-37.

〔2〕孫丙新,等.4號爐主蒸汽管道排空氣管孔裂紋的原因分析及處理 〔J〕.內蒙古電力技術,2004,22(1):17-18.

〔3〕范良.火電廠主蒸汽管焊縫裂紋案例分析 〔J〕.中國特種設備安全,2007,23(8):34-35.