鍋爐主蒸汽管道裂紋產生原因及預防

文/亓海峰

大型發電廠鍋爐主蒸汽管道長期在高溫、高壓狀態下運行，其安全與否對電廠鍋爐的正常運行十分重要，其中主蒸汽管道產生裂紋直接威脅著鍋爐機組的安全運行。

某發電廠2號鍋爐為亞臨界參數控制循環單汽包固態水力排渣煤粉爐。鍋爐形式為SG—1025/17.44—M 844，該爐已累計運行13.7萬小時，其過熱器出口壓力為17.44 MPa，溫度為541℃，主蒸汽管道材質為12Cr1MoV，規格為Φ610×95 mm，在對此鍋爐內部檢驗時，對主蒸汽管道大包上部出來第1個彎頭上環焊縫進行無損檢測抽查時，發現在以正上方為零點（沿介質流向右視）順時針4點至6點鐘方向，發現1條斷續縱向裂紋磁痕缺陷顯示，長度約180 mm，沿著熔合線分布，后經打磨消除，打磨最深處為15 mm。

結合檢驗前查詢的機修資料及運行記錄，該鍋爐在運行期間經歷多次啟停，在上次B修時（A是大修，B是一般性大修，C是一般性小修），曾出現過表面裂紋，本文根據主蒸汽管道裂紋的位置、形態分布等，通過多種方法對此管道進行檢驗分析。

檢驗過程分析

此鍋爐的主蒸汽管道布置是由末級過熱器出口集箱，爐頂大包引出后，經過第1個彎頭到達大包頂部平臺，此缺陷正是出現在第1個彎頭焊縫處，該彎頭承受較大的拉應力和疲勞應力效應。

一是對該鍋爐主蒸汽管道彎頭及相鄰直管段進行壁厚測定，對上環焊縫周圈的爐上、爐下、爐前、爐后均勻測定，距離焊縫50 mm處實測壁厚分別為：90.10 mm、89.38 mm、89.27 mm、88.03 mm。實測最小壁厚88.03 mm，所測各點壁厚均大于最小需要壁厚（83.50 mm），可知壁厚測定及宏觀檢查未見異常。

二是根據TSG 11—2020《鍋爐安全技術規程》J3.10 第（5）款的規定，對鍋爐范圍內管道和主要連接管道進行表面無損檢測和超聲檢測抽查，對主蒸汽管道大包上部出來第1個彎頭，除裂紋缺陷處之外，在上環焊縫和下環焊縫分別進行了磁粉檢測和超聲檢測，彎頭部位也進行了磁粉檢測，均未見異常。

三是金相組織檢驗和硬度檢測。根據TSG 11—2020《鍋爐安全技術規程》J3.10 第（6）款和J3.15.7 第（1）、（3）款的規定，對鍋爐范圍內管道和主要連接管道，工作溫度大于或等于450 ℃的主蒸汽管道中的焊接接頭和彎頭進行硬度和金相檢測抽查。金屬材料的性能與其化學成分、組織狀態有著密切關系。金相組織檢驗是檢測金屬材料性能的重要手段之一，材料的化學成分確定后，其性能就取決于材料的組織狀態。金相組織檢驗包括宏觀檢驗和金相顯微組織檢驗。宏觀檢驗就是用肉眼或借助低倍放大鏡直接進行觀察，可以檢查金屬宏觀組織和缺陷。此次檢測主要用金相顯微鏡進行檢驗，提前用角磨機和研磨膏打磨好焊縫表面，借助顯微鏡來觀察焊接接頭各區域的顯微組織、偏析、缺陷，以及析出相的種類、性質、形態、大小、數量等，以此來檢驗焊接接頭的組織和缺陷。通過對焊接接頭金相組織的檢測分析，可以了解焊縫金屬中晶粒度及組織狀況，組織老化程度等。

在主蒸汽管道裂紋缺陷位置附近進行金相組織檢驗，用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在400倍金相顯微鏡下根據GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》評定，金相結果顯示裂紋周圍正常位置金相組織為回火貝氏體，金相組織未見異常情況，組織評定為2.5級，符合DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與技術評定導則》、DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》。

四是里式硬度檢測均測量五次取平均值，如表1所示，焊縫部位為182 HBW，直管側熱影響區為175 HBW，直管母材為168 HBW，硬度檢測結果符合標準，鋼管母材硬度為135～195 HBW；焊縫硬度不應低于母材硬度的90 %，不超過母材布氏硬度加100 HBW，且不超過270 HBW。根據DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》、DL/T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》、GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》等評定標準，符合標準要求。

表1 里式硬度檢測結果

五是光譜分析。經現場化學成分分析，主蒸汽管道的分析結果表明該處管材及環縫化學成分符合DL/T 991—2006《電力設備金屬光譜分析技術導則》和DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》 關于12Cr1MoV合金鋼管各元素含量范圍的規定。

產生原因分析

首先，根據檢驗結果，主蒸汽管道材質及焊縫化學成分滿足標準要求，排除用錯材料的情況。金相分析結果顯示，材料組織結構完好，未產生明顯球化、老化等現象，母材、焊縫硬度值在正常范圍之內。此彎頭處于大包出來后的第1個彎頭，在啟停過程和運行過程中由于熱脹冷縮而產生的應力等原因，多次啟停，在鍋爐機組啟動過程中，主蒸汽管系從常溫達到工作溫度過程中，整個管線系統存在熱膨脹，造成彎頭及彎管部位內側壓應力，在鍋爐機組停機時，冷縮等變形同樣產生應力，是造成裂紋的主要原因。對于此主蒸汽管道管線向后數第2個45°彎頭來說，未發生缺陷的情況，從而表明管道受力情況、布置結構、運行情況等降低了應力集中情況的發生。

其次，經現場查詢資料發現，在上次檢修期間，在此部位出現長8 mm、深3 mm縱向表面裂紋，經打磨后消除，在打磨挖補位置，焊補后未進行焊后熱處理，也是造成此次缺陷的一個因素。應該在此缺陷處打磨圓環過渡并進行無損檢測合格后處理好，管道在高溫高壓作用下彎頭處造成的應力集中，管道、管件、保溫材料及外壓力在啟停過程中沿管壁厚度方向遞減溫度梯度，引起管頭處應力不均勻也在一定程度上促進了裂紋的產生。部件長時間在高溫、高壓狀態下運行，使材料的抗疲勞能力下降，易出現老化現象，從而易產生疲勞裂紋。

最后，如果焊縫內存在一定數量的疏松空洞，容易產生金屬整體結構不連續，降低金屬的承載截面積，易產生應力集中。對整個結構會造成較大危害，這些因素也會導致疲勞裂紋產生。如果焊接接頭兩側母材的厚度偏差較大，焊縫表面與母材之間會形成一定角度的夾角，從而也造成結構的不連續性，應力集中產生。熔合線處恰恰就成為焊接接頭的薄弱地帶。該機組累計運行時間已超過13萬小時，期間啟停數次，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因素之一。

預防措施

為了預防事故發生，減少裂紋對主蒸汽管道的安全運行的影響，應在裂紋打磨消除后制定合理的返修措施，在修復好缺陷的基礎上做好日常管理和維護，合理調度減少啟停頻次，在條件允許的情況下加強補償，減少缺陷處應力集中情況的產生，為機組的安全運行提供保障。加強此部位的監督檢查力度和定期維護保養，防患于未然。尤其是在每次的A修或B修過程中重點檢查此部位，是否已經產生疲勞或者磨損減薄等問題，一旦發現異常，應立即處理。

焊縫上存在缺陷是產生裂紋的根源。該蒸汽管道已累計運行超過13萬小時，金屬部件在高溫條件下運行會出現老化現象，使材料抗疲勞能力下降，是產生裂紋的主要原因。合理規劃管線走向和焊接結構，在條件允許的情況下，設計時可以考慮管線雙側布置，這樣可以在一定程度上減小應力產生，有助于降低疲勞裂紋擴展的概率。

在處理缺陷時，若是輕微缺陷，應在打磨處理完后圓滑過渡，釋放應力。并制定修補方案和檢測工藝，嚴格進行無損檢測，滿足要求后使用。嚴重的缺陷需要挖補并按照工藝焊補后熱處理，嚴格按照相關規程要求對溫度和時間進行掌控好。