蒸汽管道彎頭裂紋產生原因分析及處理

黃強

深圳市質量安全檢驗檢測研究院 廣東深圳 518000

1 序言

某電廠安裝有兩套S109E燃氣-蒸汽聯合循環機組，配置為1臺燃氣輪機＋1臺汽輪機＋2臺發電機+1臺余熱鍋爐，采取兩班制運行方式，屬于日啟停調峰機組。其余熱鍋爐由杭州鍋爐廠生產，為Q1153/526-174（33.9）-5.8（0.62）/500（254.8）型，無補燃、雙壓、立式、強制循環余熱鍋爐，露天布置。余熱鍋爐高壓過熱器出口的主蒸汽管道材質為12Cr1MoVG，規格為φ325mm×20mm，正常工作壓力為5.6MPa，工作溫度為545℃。在一次余熱鍋爐大修中，發現高壓過熱器出口的主蒸汽管道第一個彎頭背弧面存在龜裂紋。因電廠無備件，為保證機組能按時投入運行，對該彎頭進行了安全性評價，并通過現場打磨補焊的方法，實現了主蒸汽管道彎頭的現場修復，同時對產生龜裂紋的原因進行了分析。

2 主蒸汽管道彎頭檢測

在余熱鍋爐大修中，對主蒸汽管道進行檢測時發現，高壓過熱器出口的主蒸汽管道第一個彎頭背弧面約φ20mm區域存在龜裂紋（見圖1）。

圖1 發生龜裂紋的高壓過熱器出口第一個彎頭

由于電廠庫房無備用彎頭、檢修工期緊張且彎頭訂貨時間較長，因此短期內無法完成新彎頭的更換工作，故需對此彎頭進行安全性評價，以確定通過修補后是否能繼續使用。

（1）材質復核 該彎頭經檢測，其化學成分（見表1）符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[1]中對12Cr1MoVG鋼的技術要求。

表1 12Cr1MoVG鋼化學成分（質量分數）（%）

（2）金相組織分析 在該彎頭背弧面選取約φ10mm區域，用電動角向磨光機徹底去除該區域的氧化皮、銹、垢、脫碳層等，按DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與評定技術導則》[2]中規定的“微觀金相檢驗”的方法對該區域進行金相組織檢測，在金相顯微鏡下觀察到的彎頭金相組織如圖2所示。由圖2可看到，該區域金相組織為鐵素體＋珠光體，珠光體區域碳化物已開始分散，但仍保持原有的區域形態，根據DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》[3]，球化級別評定為2級（輕度球化），球化程度在使用允許范圍內。

圖2 彎頭金相組織

（3）其他區域無損檢測 將該彎頭外表面及兩邊焊縫的氧化層、銹、垢、脫碳層全部打磨去除，用磁粉和超聲波檢測方法對彎頭全面進行檢測，未再發現裂紋、氣孔及咬邊等其他缺陷。

（4）測厚 用超聲波測厚儀對該彎頭4個面選取多個點進行測厚，壁厚均大于最小要求壁厚，且均未有明顯減薄。

3 主蒸汽管道彎頭龜裂紋產生原因分析

在前兩次余熱鍋爐大修過程中，無損檢測均未發現該處龜裂紋缺陷，因此可先排除彎頭安裝時就存在該缺陷的可能。該機組為日啟停機組，啟停機較頻繁，而高壓過熱器出口的主蒸汽管道彎頭壁厚較厚（厚度為20mm），在余熱鍋爐啟爐升溫過程中，由于蒸汽流動直接加熱彎頭內壁表面，所以彎頭內壁比外壁升溫較快，最終因彎頭內壁與外壁溫差造成彎頭內外壁膨脹不一致而產生熱應力。該余熱鍋爐為露天布置，彎頭保溫護板采用襯條鋁皮一頁頁搭接而成，如圖3所示。在余熱鍋爐正常運行中，彎頭壁溫可達到540℃左右。當遇到暴雨天氣時，雨水極易依次通過兩頁襯條鋁皮之間的間隙、保溫棉的間隙滲到彎頭外壁，雨水的溫度一般為5～25℃，彎頭壁溫與雨水溫度相差很大，因此產生的熱應力較大，彎頭外壁經常受熱應力作用，從而造成龜裂紋的產生。

圖3 彎頭保溫護板結構

4 主蒸汽管道彎頭龜裂紋現場處理

鑒于電廠一時缺少彎頭備件，無法在此次余熱鍋爐大修期更換，通過上述分析，該彎頭材質、金相組織、壁厚都能滿足使用要求，除此處龜裂紋缺陷外，未發現其他缺陷，因此采取對該龜裂紋打磨去除后再進行補焊的處理措施，處理方法如下。

（1）打磨 使用電動角向磨光機對龜裂紋區域邊打磨邊觀察，直至肉眼觀察不到裂紋或其他缺陷，再利用磁粉檢測確認是否還存在缺陷，如確認仍存在缺陷，則繼續重復打磨，直至磁粉檢測不再發現有裂紋缺陷為止。最后打磨深度約4mm。

（2）焊前準備 將待補焊區域用電動角向磨光機加工成V形坡口，并將待補焊區域周邊20～30m m打磨干凈，直至露出金屬光澤，確保無油漬、鐵銹、水分、氧化物或其他有害物質。因補焊深度較小（約4mm），故采用全程手工鎢極氬弧焊（TIG）的補焊工藝，選用φ2.5mm的TIC-R31焊絲。氬弧焊用焊絲表面不得有油脂、鐵銹等污物。

（3）焊前預熱 焊前預熱可以減慢焊縫及熱影響區的冷卻速度，有利于避免產生淬硬組織，也有助于焊接區氫的逸出，防止產生焊接裂紋。由于12Cr1MoVG鋼的碳含量及合金元素含量較高，所以選擇補焊區預熱溫度為200～300℃。預熱區域以補焊區為中心，向外擴展至少100mm。在整個焊接過程中，應保持層間溫度不低于預熱溫度。

（4）焊接 焊接12Cr1MoVG鋼時，應采用較小的焊接熱輸入，以減小焊接應力，減少焊接過熱區寬度，細化晶粒，提高焊縫金屬的抗裂性能。手工鎢極氬弧焊（TIG）焊接時采用短弧，焊槍盡可能與補焊區域表面垂直，有利于氬氣對焊接熔池的保護。焊槍和焊絲可稍作橫向擺動，保證坡口兩側熔透。同時，控制好熔池溫度，防止產生焊穿和焊瘤缺陷。在接頭部位，用手提砂輪打磨弧坑，將弧坑處的收弧裂紋和氣孔等焊接缺陷清除，然后繼續引弧焊接。

（5）焊后熱處理 12Cr1MoVG鋼的焊接接頭在焊后需進行去應力熱處理，以消除或減少熱影響區出現的淬硬組織，增加塑性和韌性，有效地減少焊接殘余應力，同時有利于擴散氫的逸出，從而減少冷裂紋傾向。因此，在焊接結束時應立即采用保溫材料將焊縫和近焊縫區覆蓋保溫，使接頭緩慢冷卻。隨后，將彎頭整體加熱至720～760℃，恒溫1～2h后，再隨爐冷卻至室溫。

（6）焊接檢測 焊后24h對補焊及周邊區域進行外觀檢查、磁粉和超聲波檢測，結果均合格。

5 結束語

對于日啟停頻繁啟動的機組，主蒸汽管道彎頭會經常受到熱應力的作用。而露天布置的余熱鍋爐，主蒸汽管道彎頭容易受到雨水影響而產生很大的熱應力，更容易造成彎頭龜裂紋的產生。在余熱鍋爐大修過程中，通過對主蒸汽管道彎頭進行安全性評價，確定打磨補焊的修復方案，延長了彎頭的使用時間。但是，造成彎頭產生龜裂紋的影響因素依然存在，建議在余熱鍋爐啟爐、停爐過程中，采取嚴格控制升溫和降溫速率，對彎頭保溫工藝嚴格把關，以及在余熱鍋爐頂部加裝擋雨棚等措施，并及時采購彎頭備件，在停爐合適的時間對其進行更換，從而更好地保障機組的安全穩定運行。