吉建兵

(遼寧東方發(fā)電有限公司，遼寧 撫順 113007)

火力發(fā)電廠高溫、承壓汽水系統(tǒng)上的部件由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)、介質(zhì)參數(shù)變化和運行時間增加等原因會產(chǎn)生熱疲勞損傷等，尤其高溫金屬部件偏離設(shè)計工況下運行時損傷更為嚴重。其中，蒸汽管道和聯(lián)箱上的各類導(dǎo)出、引入管的母材、角焊縫及管道或聯(lián)箱開孔附近母材常產(chǎn)生熱疲勞裂紋，隨著機組運行時間的延長可能導(dǎo)致部件泄漏而發(fā)生機組非計劃停機。尤其服役10萬h以上的機組，相關(guān)部件由于熱疲勞損傷的積累，開始出現(xiàn)蠕變裂紋，積累到一定程度會導(dǎo)致部件失效。新機組的高溫承壓金屬部件一般因為高溫高壓部件結(jié)構(gòu)不合理和錯用材質(zhì)而導(dǎo)致失效。

為避免或減少這種損壞導(dǎo)致的機組非停，把幾次高溫承壓金屬部件發(fā)生損壞的失效情況和處理辦法逐一進行研究。

1 350 MW機組機側(cè)匯流排聯(lián)箱T型接頭損壞

匯流排聯(lián)箱是汽輪機側(cè)的一種異型聯(lián)箱，如圖1、圖2所示。工作原理：匯集主汽系統(tǒng)和再熱熱段系統(tǒng)的輸水，集中排放，設(shè)備運行近1萬h，在運行中導(dǎo)出管與聯(lián)箱連接部位脫開，發(fā)生泄漏，機組被迫停機，扒保溫檢查發(fā)現(xiàn)聯(lián)箱接管自與聯(lián)箱連接焊接接頭處脫開，如圖3所示。

圖1 350 MW機組匯流排聯(lián)箱結(jié)構(gòu)

圖2 350 MW機組原始設(shè)計匯流排聯(lián)箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 350 MW機組匯流排角焊縫失效

經(jīng)分析，這種連接結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的原因是由于T型結(jié)構(gòu)的連接處沒有使用管座進行加強導(dǎo)致角焊縫處連接強度不足，使接管在結(jié)構(gòu)不連續(xù)的角焊縫處脫開，發(fā)生泄漏，導(dǎo)致機組非停。

經(jīng)分析和強度計算，這種聯(lián)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)強度不足，導(dǎo)致泄漏，為避免此類事故的重復(fù)發(fā)生，需對部件結(jié)構(gòu)按《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計》的相關(guān)規(guī)定進行改造、加強，并結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計出加強管座，按焊接規(guī)程的要求，選取合適的焊材、焊接方式和熱處理工藝，進行結(jié)構(gòu)改型焊接改造，系統(tǒng)恢復(fù)連接后，至今已安全運行近10萬h，每次機組停機檢修都進行跟蹤檢查，各項檢查未發(fā)現(xiàn)異常。改造后的匯流排聯(lián)箱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 350 MW機組改造后匯流排聯(lián)箱結(jié)構(gòu)示意圖

2 200 MW機組爐側(cè)集汽聯(lián)箱向空排汽管管座和聯(lián)箱母材的損壞

200 MW機組鍋爐集汽聯(lián)箱向空排汽管是該型鍋爐的重要高溫、承壓部件。其工作原理為機組啟動前和異常工況時，系統(tǒng)通過向空排汽管緊急向外排出系統(tǒng)內(nèi)的空氣和蒸汽，保持設(shè)備的運行安全(見圖5)。機組在額定參數(shù)運行時向空排汽管道系統(tǒng)是封閉的，因此造成機組正常運行時向空排汽管內(nèi)距離聯(lián)箱越遠，溫度越低，導(dǎo)致向空排汽管內(nèi)的部分蒸汽會發(fā)生凝結(jié)，形成凝結(jié)水順立管向下流動，對金屬部件造成熱疲勞損傷。

圖5 200 MW機組集汽聯(lián)箱和向空排汽管實物結(jié)構(gòu)

從該類型機組同類部件長期運行的情況看，這一接管結(jié)構(gòu)在其設(shè)計工況下長期運行存在不安全隱患，有的甚至發(fā)生爆破事故，特別是這種連接系統(tǒng)中排汽管管座位于集汽聯(lián)箱上部，由其運行工作原理可知，會造成向空排汽管中經(jīng)常有凝結(jié)水回流到接管管孔，甚至流到下部聯(lián)箱內(nèi)部。由于機組參數(shù)變化等原因造成有凝結(jié)水頻繁、周期性產(chǎn)生和流動，對接管、管座母材以及聯(lián)箱開孔孔壁產(chǎn)生了交變溫度應(yīng)力，交變應(yīng)力積累到一定程度會導(dǎo)致管座母材和聯(lián)箱開孔的孔壁內(nèi)表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋(見圖6—圖8)。隨著機組運行時間延長，部件材料老化和劣化，這種熱疲勞裂紋在交變的溫度應(yīng)力以及內(nèi)部介質(zhì)對裂紋前沿不斷的腐蝕等因素作用下，將不斷延伸、擴展，積累到一定程度就可能發(fā)生設(shè)備泄漏損壞事故。原遼寧發(fā)電廠2期工程的2臺200 MW機組向空排汽管都曾發(fā)生過這種裂紋損壞，只是由于及時發(fā)現(xiàn)并處理，才未釀成重大設(shè)備事故，這種裂紋一般為沿凝結(jié)水流動方向的延晶裂紋，超聲波探傷時，探頭沿管孔環(huán)向移動，缺陷的檢出率相對較高。

圖6 集汽聯(lián)箱管座部位產(chǎn)生裂紋示意圖

圖7 連接集汽聯(lián)箱管座發(fā)生裂紋實物圖

圖8 T型接頭部位集汽聯(lián)箱發(fā)生裂紋實物圖

處理方法如下。

a.按原設(shè)計圖紙加工新聯(lián)箱管段和新管座，按相關(guān)焊接規(guī)程和熱處理規(guī)程進行焊接修復(fù)，探傷、檢驗合格后，恢復(fù)保溫，投入使用。但由于新部件加工時間長，導(dǎo)致修復(fù)時間延長，所以本次處理不采用這種辦法。

b.由于縮短工期的需求，根據(jù)部件等面積補強原理，本次檢修使用了一種新的修復(fù)工藝，首先反復(fù)打磨和探傷，把聯(lián)箱內(nèi)孔的裂紋徹底清除干凈，按照《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的要求，把消除裂紋后的開孔修復(fù)成符合相關(guān)規(guī)程的坡口形狀(見圖9)，這時聯(lián)箱開孔的直徑遠大于原始的開孔(見圖10)，根據(jù)《水管鍋爐受壓元件強度計算》的內(nèi)容和要求，必須進行等面積的補強才能滿足原部件的強度設(shè)計要求，根據(jù)加工成的坡口尺寸測繪加工一個較原有尺寸大的管座(見圖11)，一是滿足填滿聯(lián)箱新內(nèi)孔，滿足等面積補強的要求；二是大管座上口尺寸滿足連接向空排汽管的連接要求，然后根據(jù)焊接工藝進行施焊、焊后熱處理，焊后進行硬度檢測、超聲波探傷，檢測合格后恢復(fù)保溫，投入使用，安全運行了15萬h。本工藝由于只需外委加工一個大的管座，所以修復(fù)施工所需的新部件加工的量較第1種處理辦法大大降低，部件修復(fù)的焊接量大大減少，并且節(jié)約了使用合金部件的數(shù)量，總體極大地縮短了修復(fù)時間。

圖9 清除裂紋后開孔

圖10 集汽聯(lián)箱原始開孔

圖11 修復(fù)后管座

由于系統(tǒng)和部件的特點，這種存在有規(guī)律發(fā)生，并且逐漸發(fā)展缺陷的部件，在機組停機檢修時，要列為必檢項目，加強日常監(jiān)督，確保安全。

3 50 MW機組爐側(cè)主汽管道接點火管路母材損壞

50 MW機組的主蒸汽管道立管的點火管路三通，水平焊裝在管道的側(cè)壁。其工作原理：本機組為相鄰機組提供機組點火啟動的推動汽源，相鄰機組啟動完成后，本管路就關(guān)閉。因為隨遠離母管的管段溫度逐漸降低，使冷凝水汽經(jīng)常積存在水平管段，而隨著機組啟停和參數(shù)波動，使水平管的溫度發(fā)生波動，極易使這一部位的管段產(chǎn)生熱疲勞裂紋。原遼電的點火管路三通Φ273×18 mm的主蒸汽管道垂直管段上Φ168×8 mm的水平導(dǎo)出管母材就發(fā)生過熱疲勞爆管，見圖12。管孔下部管壁就是由于這一原因而產(chǎn)生熱疲勞裂紋，設(shè)備檢修時，對這一部位必須進行嚴格超聲波檢測，一般機組運行約5萬h左右就能產(chǎn)生宏觀裂紋，對超聲波檢測發(fā)現(xiàn)問題的管段每次需更換長約600 mm的管段，才能確保安全，因此這種結(jié)構(gòu)的部件，也要成為每次停機檢修的必檢項目。要注意的是水平接管的裂紋一般主裂紋為環(huán)向裂紋，因此超聲波探傷時探頭移動方向沿著水平管軸向移動的檢出率最高。

(a)水平導(dǎo)出管裂紋部位

4 結(jié)論

a.對未進行加強的T型焊接結(jié)構(gòu)必須按相關(guān)規(guī)范要求加裝管座，東方公司匯流排改進結(jié)構(gòu)后，到現(xiàn)在運行近10萬h未發(fā)生泄漏事故。

b.改變運行方式，減少機組啟停，避免熱疲勞損壞。

c.管座應(yīng)采用整體鍛制成形的熱加工工藝，材料的化學(xué)成分應(yīng)與所連接的主設(shè)備相當。管座根部的凹窩及主設(shè)備開孔內(nèi)外壁要保證粗糙度合格，以提高耐疲勞性能。

d.焊接材料及焊接、熱處理工藝均須符合焊接規(guī)程規(guī)定。