燃?xì)鈾C(jī)組旁路減溫減壓部件失效分析

鄭天艷

(浙江國(guó)華余姚燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315400)

0 引言

某電廠的一套美國(guó)GE公司生產(chǎn)的S209FA二拖一多軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組是由兩臺(tái)PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，兩臺(tái)美國(guó)DELTAK公司生產(chǎn)的臥式、三壓再熱、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)余熱鍋爐和一臺(tái)型號(hào)為D11的凝汽式汽輪機(jī)，組成“二拖一”聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，機(jī)組總額定功率為787.6 MW，汽輪機(jī)額定功率為284.5 MW;機(jī)組運(yùn)行方式為日開夜停，作為電網(wǎng)的調(diào)峰機(jī)組，每臺(tái)余熱鍋爐配備一套旁路系統(tǒng)。

汽輪機(jī)高、中壓旁路系統(tǒng)，是在正常的汽輪機(jī)管路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上并聯(lián)一個(gè)蒸汽減溫減壓裝置組成的蒸汽旁路系統(tǒng)、從而可使高參數(shù)蒸汽即高溫高壓蒸汽不經(jīng)過汽輪機(jī)的通流部分，而由并聯(lián)的蒸汽減溫減壓裝置進(jìn)入低一級(jí)蒸汽參數(shù)的管路或凝汽器，是機(jī)組啟機(jī)時(shí)保證主蒸汽參數(shù)的主要系統(tǒng)，同時(shí)也有助于鍋爐建立良好的汽水循環(huán)，在事故情況下可以輔助調(diào)節(jié)汽機(jī)軸向推力。因此高、中壓旁路系統(tǒng)作為機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行以及停機(jī)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行具有非常重要的作用。

1 減溫減壓部件的失效形式

某電廠減溫減壓失效部件，主要包括減壓裝置籠罩、減溫器、過渡管母材。

(1) 減壓裝置籠罩。減壓裝置籠罩的主要失效形式為開裂、變形。高旁、中旁減壓裝置外筒的規(guī)格及材質(zhì)見表1，其中D為外筒直徑，t為厚度。

表1 高旁、中旁減壓外筒規(guī)格和材質(zhì)

(2) 減溫器。減溫器失效形式主要為噴嘴角焊縫開裂，裂紋主要產(chǎn)生于管座角焊縫主管側(cè)的熔合線處，并沿熔合線擴(kuò)展沿周向分布。

(3) 旁路出口過渡管母材裂紋。旁路出口過渡管母材主要失效形式為內(nèi)壁坡口變徑處產(chǎn)生裂紋，該位置為應(yīng)力集中部位，中/高旁出口過渡段母材均為P22材質(zhì)。

2 原因分析

(1) 宏觀分析。減溫器噴嘴裂紋位于管座角焊縫主管側(cè)的熔合線處，并沿熔合線擴(kuò)展;減壓裝置外筒有變形和裂紋;旁路出口過渡段母材裂紋產(chǎn)生于內(nèi)壁坡口壁厚突變處端角的應(yīng)力集中部位。

(2) 微觀分析。對(duì)減溫器蒸汽出口管、噴嘴及連接角焊縫進(jìn)行金相檢驗(yàn)后，可知出口管P22金相組織為鐵素體+貝氏體，晶粒度級(jí)別為8～9級(jí)，組織正常;熔合良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜、氣孔等焊接缺陷，焊縫組織為回火貝氏體，組織未見異常。管P11母材金相組織為鐵素體+貝氏體，晶粒度級(jí)別為8～9級(jí);熔合良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜、氣孔等焊接缺陷，焊縫組織為符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 運(yùn)行和結(jié)構(gòu)失效分析。減壓裝置籠罩的失效為籠罩出現(xiàn)變形和開裂，過渡段母材失效是在內(nèi)壁坡口壁厚變徑位置端角應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋，而從高旁的運(yùn)行參數(shù)發(fā)現(xiàn)在高旁開啟后，溫升速度較快，10 min左右溫升超過150 K。

在高溫下工作的零部件，由于受載部件會(huì)發(fā)生隨時(shí)間發(fā)生緩慢塑性變形(蠕變)效應(yīng)。同時(shí)，高溫部件受恒定載荷引起的單純?nèi)渥儞p傷破壞的情況很少見，往往還受到變動(dòng)載荷的作用，從而產(chǎn)生疲勞損傷。這些蠕變損傷和疲勞損傷不是各自獨(dú)立發(fā)展，在一定條件下，兩者之間存在交互作用，使部件壽命大大降低。減壓裝置籠罩和過渡段母材長(zhǎng)期在高溫高壓環(huán)境下工作，并承受冷熱交變應(yīng)力，隨運(yùn)行時(shí)間和機(jī)組啟停次數(shù)累積，材料出現(xiàn)老化現(xiàn)象，宏觀表現(xiàn)在材料的強(qiáng)度下降，甚至出現(xiàn)裂紋，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行顯然是不利的。由此可知：結(jié)構(gòu)突變、殘余應(yīng)力大，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位，承受冷熱交變應(yīng)力作用，在機(jī)組頻繁啟停的運(yùn)行模式下的循環(huán)應(yīng)力作用下，蠕變-疲勞交互作用導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生。

分析高、中壓旁路減溫器上裂紋的位置發(fā)現(xiàn)，裂紋均產(chǎn)生于噴水管的角焊縫處，沿熔合線呈周向分布。從結(jié)構(gòu)上看，該處存在很大的結(jié)構(gòu)突變，是應(yīng)力集中最大的區(qū)域，遠(yuǎn)離該區(qū)域，并未發(fā)現(xiàn)裂紋;從尺寸上看，裂紋長(zhǎng)短不一，有的僅數(shù)毫米，有的接近角焊縫整周，說明裂紋在運(yùn)行中逐步生長(zhǎng)，同時(shí)結(jié)合減溫器運(yùn)行工況即噴水管承受的溫差應(yīng)力、蒸汽沖刷力作用、交變彎曲應(yīng)力及可能存在的高頻振動(dòng)，且減溫器噴水溫度為27 ℃，遠(yuǎn)離材料蠕變溫度，因此綜合裂紋產(chǎn)生的時(shí)間、位置和生長(zhǎng)等特性，判斷該裂紋為疲勞裂紋。

3 防范措施

為了防范部件的失效，提出以下幾點(diǎn)防范措施。

(1) 建議機(jī)組啟動(dòng)過程中，旁路截止閥改為氣動(dòng)定位器控制方式，通過控制旁路截止閥的開啟速度來降低截止閥后管道振動(dòng)。

(2) 加強(qiáng)旁路開啟后溫升速率的控制，溫升速率根據(jù)材料特性，控制在6～10 ℃/min;針對(duì)直接產(chǎn)生材料溫差交變應(yīng)力的主要因素如蒸汽溫度、減溫水溫度、流速流量等，建議降低減溫水頻繁動(dòng)作次數(shù)，優(yōu)化啟動(dòng)速度和運(yùn)行操作。

(3) 加強(qiáng)金屬部件日常監(jiān)督檢查，對(duì)同類型部件要逢停必檢;啟停以及運(yùn)行時(shí)觀察旁路運(yùn)行情況，重點(diǎn)觀察旁路閥、減溫水閥內(nèi)漏情況并分析;利用機(jī)組檢修或臨修機(jī)會(huì)對(duì)減溫器噴嘴及出口管道附近焊口這種重點(diǎn)部位進(jìn)行無損探傷檢測(cè)。

(4) 對(duì)旁路改造進(jìn)行可行性研究。考慮減少旁路閥內(nèi)漏的設(shè)計(jì)變更，徹底解決頻繁啟停模式下旁路閥容易發(fā)生內(nèi)漏帶來的部件的失效隱患。