熱電廠主蒸汽母管閥門焊縫裂紋原因分析

孫振西

（山東省安泰化工壓力容器檢驗中心有限公司，山東濟南 250000）

電廠鍋爐產生的蒸汽壓力高、溫度高，而且蒸汽量巨大，因此存在較大的安全隱患。電站系統平時的運行管理水平和自動控制技術要求都較高，在停車檢維修時的機械化程度也比較高，電站鍋爐是火力發電廠中最為主要的熱力設備。電站鍋爐范圍內的管道主要包括主給水管道、主蒸汽管道、再熱蒸汽管道等，以及第一個閥門以內（不含閥門）的支路管道[1]。電站鍋爐一般將產生的蒸汽通過主蒸汽管道直接輸送至汽輪機進行發電或送至各用戶，而對于母管制運行的電廠鍋爐系統，其特點是一根主蒸汽母管為多臺電廠鍋爐所共用，即將電廠中幾臺鍋爐所產生的蒸汽通過主蒸汽管道先輸送至一根主蒸汽母管進行匯合后，再由該蒸汽母管輸送至各個汽輪機或送至各用汽點[2-3]。由于多臺電站鍋爐共用一條母管，為保證鍋爐系統在運行過程中的安全可靠，一般會將每臺鍋爐并入母管前的主蒸汽管道利用分段閥門與母管進行分段隔離，分段閥門是兩個串聯的切斷閥，這樣后期檢維修閥門時較為方便，同時也能防止由于閥門內漏造成單臺電站鍋爐的檢驗。電站鍋爐正常運轉時，切斷閥處于開啟狀態，產生的高溫高壓蒸汽通過母管送至用戶。當某臺鍋爐發生危險事故或需要分段進行檢維修時，可將兩個切斷閥關閉，使事故發生段或檢維修段處于停止狀態，這樣既保證了需要檢修段的正常進行又可以使相鄰的其他鍋爐仍然正常運轉。母管制電站鍋爐安裝時管道結構也比較簡單，一般母管兩端通向汽機，中間接收來自鍋爐產生的蒸汽，經濟效益高。然而對于母管制運行的電站鍋爐，母管的定期檢驗檢測或者存在問題需要檢維修是比較困難的，需要多臺電站鍋爐同時全部停機才可以進行相應的作業，因此，存在運行調度不夠靈活的缺點，如果母管上的任一閥門發生事故，與該母管相連的設備都要停止運行，同時母管連接的所有電站鍋爐和汽輪機的運行壓力溫度等參數要求相同。

電廠主蒸汽管道母管是連接鍋爐系統和汽輪發電機系統的主要設備樞紐，是發電廠的金屬安全監督工作中最為關注的重要環節。母管的運行工況同主蒸汽管道幾乎一致，因此同主蒸汽管道的選材也一致，一般為12Cr1MoV 或P91等。這種鉻鉬合金鋼雖然具有耐高溫氧化、耐球化等優點，然而管道的安裝工藝要求也很高，尤其對于焊縫的焊接工藝要求極高，焊后也有較強的冷熱裂紋傾向，如果沒有得到及時的發現和處理，使裂紋形成并得以擴展，對于人們生命財產安全將會構成很大的危害。近年來，電站鍋爐范圍內的管道事故頻繁發生，而且造成事故后果也非常嚴重，因此在2018年，國家市場監管總局發布了《市場監管總局辦公廳關于開展電站鍋爐范圍內管道隱患專項排查整治的通知》市監特函〔2018〕515號文，要求對電站鍋爐范圍內管道隱患進行專項排查整治。本文結合一則某工廠高壓蒸汽母管閥門焊縫在停車定期檢驗時發現裂紋的案例，通過翻閱相關竣工資料及對閥門焊縫進行的現場理化檢驗，對出現裂紋的原因及處理方法進行了探討，并提出了預防措施。

受某化工廠委托，對其動力車間主蒸汽母管至3#汽輪機管道進行定期檢驗，該管線設計壓力8.89 MPa，設計溫度510 ℃，母管材質為12Cr1MoVG，管道規格為φ273×25 mm，于2010 年6 月投用，截至檢驗時已運行約8.8 萬h，管道中閥門閥體材質為ZG20CrMoV。

1 檢驗情況

在重點檢查該管道中與閥門相連接的對接焊縫的表面缺陷時，發現閥門南側焊縫西側存在裂紋，裂紋位置為靠近閥門側母材與焊縫交界的熔合線上，裂紋端部存在夾雜，如圖1所示。

依據市監特函〔2018〕515號《市場監管總局辦公廳關于開展電站鍋爐范圍內管道隱患專項排查整治的通知》之規定，該管道屬于主蒸汽母管道，依據TSG G7002—2015 進行全面檢驗，按TSG G7002—2015中2.4.10（4）規定，重點檢查與彎頭（彎管）、三通、閥門和異徑管相連接的對接焊縫的表面及埋藏缺陷；檢測方法主要包括壁厚測定、磁粉檢測、超聲檢測、硬度檢測、光譜檢測級金相檢測；檢測儀器包括超聲波測厚儀、LKXN 磁粉檢測機、HS-600 超聲波檢測儀、MH600里氏硬度計、S1TITNA 光譜分析儀、PTI-2000金相分析儀。

2 發現問題及現場調查

2.1 發現問題

通過磁粉檢測共發現一處焊縫裂紋，焊縫裂紋位置如圖2所示，裂紋長度西側1/2圈，對該焊縫進行了射線檢測，結果顯示裂紋深度大約為3/4壁厚，且焊縫內存在夾渣，需廠方修理消除。

圖2 焊縫裂紋所在管道中的位置

打磨焊縫及焊縫兩側熱影響區、母材局部位置，進行硬度檢測，測量焊縫硬度最大值為238 HB，而GB 50683—2011《現場設備、工業管道焊接工程施工質量驗收規范》標準中要求焊縫硬度小于225 HB。對管道母材及焊縫進行金相分析，如圖3所示，管道母材金相組織為鐵素體加珠光體，球化等級為2.5級，焊縫金相組織為回火索氏體，均為正常組織。

圖3 管道及焊縫金相組織

2.2 現場調查

裂紋檢出后，首先檢查該管道施工的交工資料，主要包括如下。

2.2.1 材料的合格證及材質核驗資料

查閱管道和閥門的出廠質量證明文件，查看其合金元素的成分是否符合標準要求。經對比發現焊縫、管道側母材、閥門側母材的合金成分，均符合原設計要求。經現場光譜分析，閥門及管道母材合金成分亦符合相關標準要求，如表1所示。

表1 化學成分檢測結果（質量分數）

2.2.2 檢查施工過程文件

對焊接工藝評定報告、焊接記錄、無損檢測報告、焊后熱處理報告、硬度檢測報告等產生裂紋的焊口焊接過程記進行了翻閱，施工過程均符合規范要求，未發現違反相關技術規范或者標準要求之處。

2.2.3 擴大檢測比例

在發現此處裂紋后，對該管道未檢的其余焊縫進行了100%的MT 檢測，檢測結果均為合格。

3 原因分析

根據裂縫的形貌特點并結合施工文件，對出現裂紋的原因進行分析，主要有以下幾點。

1）檢出的裂紋位于靠近閥體側母材與焊縫交界的熔合線上，具有冷裂紋特征，經查閱資料所用閥門閥體材質為ZG20CrMoV，該材料具有導熱系數小、熱膨脹系數大的特點，在焊接的熱循環作用下，會造成較大的殘余應力，而且對焊接后的熱處理冷卻速度要求也較為苛刻，容易在鑄件中造成不均勻的組織和性能；在對ZG20CrMoV 和12Cr1MoV 兩種材質進行焊接時，在近縫區容易形成淬硬組織，而且對焊接接頭給以較高的溫度進行回火熱處理時，焊接接頭的強度和塑性，以及它的組織穩定性較難控制，因此焊縫較容易形成冷裂紋。

2）通過圖1可以看到，閥門側壁厚與鋼管側壁厚相差較大，焊縫表面與閥門母材之間形成了約90o的夾角從而造成結構不連續，產生了應力集中，使該焊接接頭的熔合線處成了最薄弱的環節。

3）焊縫裂紋出現在該焊縫的西側1/2圈（如圖2所示），且通過圖1可看到裂紋正西偏下處裂痕較寬，因此推斷此處受到斜向上的力較大，是裂紋的起裂處。管道介質為自西向東流向，而且閥門前彎頭個數較多，蒸汽介質流到此處時方向改變較為頻繁，會對閥門前裂紋焊縫產生斜向上較大的力矩，因此長期運行過程中會產生疲勞微裂紋，在此次管道停車過程中或因降溫速度控制不當，微裂紋得以擴展。由于前期廠方打算將焊口刨開重新焊接，后期更改修理方案進行換管時，已將初始斷口形貌破壞，因此未割管進行焊縫斷口形貌分析。

4）焊縫內有夾雜，使基體金屬的均勻連續性遭到破壞，基體金屬承載面積減少，容易產生應力集中，形成疲裂紋勞源，運行過程中閥門進口管以管壁周向進行擴展斷裂。

4 處理方法

為了保證系統能夠快速投運，起初定的方案為將存在裂紋處用氧氣乙炔火焰氣刨，然后用砂輪機打磨消除。然而在該方案實施過程中發現砂輪機打磨后的縫隙非常小，對于無損檢測確認缺陷是否完全消除難度較大。為保證焊縫質量，廠方決定對出現裂紋的焊縫及其南側短節切除更換。處理方案如下。

1）南側短節如果繼續使用，在第二次焊接時，母材會因二次受熱相應的抗拉強度、硬度等力學性能有所下降，因此建議廠方使用新的相同材質和規格的管道，并且安裝前我單位對使用的管道進行了壁厚測定和光譜分析，均符合相應的規定。

2）閥門和直管的連接端存在不等厚的弊端，因此對于合金鋼材質的管道焊接時要優先焊接這種不等厚焊口，避免使這種焊口成為安裝焊口，而導致在組對或焊接時形成應力集中，造成該部位缺陷的產生。施工時，每個焊口組對前均將焊口、管內表面清理干凈，每個焊口組對預制時均保證不受外力影響。焊接焊口時，根據程序文件及規范要求嚴格執行焊前預熱和控制層間溫度，以防止產生冷裂紋傾向。

3）在氬弧焊打底手工焊蓋面焊接工序完成后，進行外觀質量檢查合格后立即進行焊后熱處理。依據GB/T 30583—2014《承壓設備焊后熱處理規程》和GB/T 20801—2006《壓力管道規范 工業管道》之規定，選用履帶式陶瓷電加熱器對焊縫、熱影響區及相鄰母材進行纏繞熱處理，熱處理的加熱寬度，從焊縫中心算起，每側不小于管子壁厚的3倍，且不小于60 mm，保溫寬度，從焊縫中心算起，每側不小于管子壁厚的5倍，以減少溫度梯度，升、降溫速度按220℃/h 控制，先將溫度自由升至300℃后，以220℃/h 的升溫速率升至720℃，保溫2 h 后進行降溫，降溫過程中，溫度在300℃以下可不再進行控制。溫度降至100℃時，可將保溫棉、陶瓷電加熱器、熱電偶拆除。合金鋼管道熱處理后進行硬度測試，其硬度值不超過母材硬度的布氏硬度加100，且HB 不大于270，

12Cr1MoVG 材質的管道屬于低合金鋼，焊接容易產生延遲裂紋，依據GB/T 20801—2020《壓力管道規范 工業管道》的規定，有延遲裂紋傾向的材料焊接接頭應在焊接完成24 h 后進行無損檢測。

5 結束語

鍋爐范圍內管道在運行過程中一直處于高溫高壓工況，是管控的重點和難點，根據閥門焊縫裂紋形成的可能原因，為防止以后類似問題的出現及管道的安全運行，提出以下建議。

1）合理有計劃地安排焊接焊縫的順序，使類似于閥門的不等厚焊件焊縫在地面優先預制完成，以防止管道的安裝焊口選在不等厚焊件的位置。

2）管道進行焊接時避免錯口受力造成焊縫裂紋，因此采取有效措施以保證焊口組對時不受外力影響，并且嚴格控制焊接質量，避免應力集中和結構不連續。

3）為了減少和避免裂紋的產生，低合金鋼材料一般要求進行有效的焊前預熱和焊后熱處理。管道施焊前，應根據焊接工藝評定報告（或已通過技術評審的預焊接工藝規程）編制焊接工藝規程，用于指導焊工施焊和焊后熱處理工作，選用符合設計文件和相關標準規定的焊接材料，并對焊材烘干。坡口制備完成后對焊件嚴格執行預熱，焊接時控制好每層焊道間的溫度，焊后立即進行熱處理。

4）定期檢維修時，對于電廠主蒸汽管道及母管，使用單位應嚴格執行開停車的工藝要求，嚴禁通過通儀表風等方法快速降溫；對鍋爐范圍內管道采用高溫測厚儀定時定點測厚，以確定該管道的年腐蝕速率。另外進行不固定點測厚，及時摸排管道中每處管件的腐蝕情況，以便做好管道的整體腐蝕和局部腐蝕相關資料的收集和整理匯總工作。

5）合理制定管道的吹掃計劃，及時清除管道內的雜質，做好管道上的附屬裝置如管道支吊架、蠕脹測點等的定期維護保養工作。

6）根據定期檢驗結果及管道運行時間，合理確定定檢周期。定檢時應制定詳細的檢驗方案，而且需要進行蠕脹、硬度和金相等項目的檢測，關注硬度值的變化及金相組織球化狀態，做好記錄，并定期進行前后兩次的數據對比工作，對于球化等級比較嚴重且硬度值降低比較明顯的管道，必要時可進行割段力學性能分析，確保鍋爐范圍內管道安全長周期運行。