超超临界锅炉蒸汽取样管座裂纹分析

刘恩生

(华电国际技术服务中心,山东 济南 250014)

超超临界锅炉蒸汽取样管座裂纹分析

刘恩生

(华电国际技术服务中心,山东 济南 250014)

超超临界发电技术的发展,从采用引进技术设计到自主设计,再到完全自主设计,经历了设计国产化、工艺国产化、生产国产化、调试国产化的过程.发展过程中,尤其是初期,难免暴露出设计、安装等方面的一些问题,值得后期建设机组借鉴和改进.其中,蒸汽取样装置作为重要附件,为机组控制系统提供了压力、温度等重要参数信息.但也由于所处高温高压环境、设计、安装等方面原因引起了一些裂纹、泄漏等问题.分析了超超临界机组锅炉蒸汽取样管座发生裂纹的原因,重点从应力集中、焊接工艺和热疲劳三方面进行了分析,并对解决措施进行了探讨,提出了改进意见,为同类型机组提供了借鉴.

超超临界机组;应力集中;焊接工艺;热疲劳

2006年11月,华能玉环电厂1号百万千瓦机组的投运,标志着我国百万千瓦超超临界工程设计、制造、建设技术的重大突破.十余年来,燃煤发电技术不断创新,我国煤电超临界/超超临界机组无论容量、参数、效率、煤耗均达到世界领先水平,成为世界上具有超超临界机组数量最多、蒸汽参数最高和供电煤耗最低的国家.

1 主蒸汽取样管座裂纹泄漏

某电厂安装了2台高效超超临界参数变压直流炉,锅炉主蒸汽出口参数为26.25 MPa/605℃,最大连续蒸发量为3 033 t/h.主汽管道材质为SA335-P92,主蒸汽管道出口在约73 m标高处两侧各安装一套蒸汽取样装置.取样装置由管座和取样管组成.

取样管材质为1Cr18Ni9Ti,管座材质为SA-182F91.管座下端与主汽管道焊接,上侧与取样管接头焊接.运行中发现取样管管座漏汽,停炉处理.

1.1 原因分析

停机后检查发现,该泄漏取样管角焊缝为制造厂家焊口,对管座接管及焊缝进行材质复核,焊缝焊材为镍基焊条,取样管管座采用堆焊焊接方式,对取样管断面进行宏观检查,发现焊缝底部存在大量的夹杂物,且焊缝底部存在明显的未焊透现象,断面可见明显的焊接波浪,焊缝与主蒸汽管道熔合较差,焊缝有效壁厚最小仅为10 mm,造成焊缝有效厚度较小,取样管管座强度不足.

奥氏体钢本身热导率小、熔点低、线膨胀系数大,焊缝金属高温停留时间长,容易形成大的铸态组织,并产生较大的拉伸应力,容易产生焊接应力裂纹和应力腐蚀开裂.该接头在长周期的周期性加热和冷却状态下工作,承受较大的周期性、较大的热交变应力,运行中在最薄弱部位首先产生裂纹,随着运行时间的延长,裂纹不断扩展,最终造成该取样管开裂泄漏.

1.2 处理

对该管座割除,进行了重新焊接处理,并对另一侧相应取样管座焊缝(裂纹对应部位)进行焊接补强.对其他取样管座宏观检查无异常,对4大管道等高温高压管道所属的疏放水管座、取样管座、热电偶等附件管座,利用机组检修机会进行滚动检查探伤.

2 某机组取样管座多处裂纹

2.1 裂纹情况

某超超临界机组锅炉型号为DG3000/26.15-Ⅱ型,主蒸汽参数及取样装置布置形式与上例相同.检修期间,对锅炉取样管座焊缝进行着色探伤,发现炉左取样管座角焊缝存在长1/3周长裂纹,炉右管座角焊缝存在长3/4周长裂纹.裂纹均位于取样管与管座焊缝靠近管座侧的焊缝熔合线处.

大修期间,对另一台锅炉蒸汽取样管座焊缝进行渗透检测,发现炉左取样管座存在长60 mm的长裂纹,炉右管座存在长17 mm的长裂纹.裂纹均位于取样管与管座焊缝靠近管座侧的焊缝熔合线处.

2.2 原因分析

现场检查发现,蒸汽取样管固定为刚性固定且距离管座较近,管子缺乏柔性,由于主蒸汽管道热态膨胀位移,取样管膨胀不畅、受力变形弯曲,应力得不到释放,应力集中到取样管根部与管座焊缝处,随机组长时间运行逐步开裂,是管座裂纹的主要原因.

1Cr18Ni9Ti材质的不锈钢管接头与F91材质管座材料线膨胀系数不同,在热应力作用下易出现裂纹,是管座裂纹的另一原因.阀门在运行时是常关的,管内存在温度较低的积水,与主管道内部高温蒸汽形成温度差,冷热过渡区域容易产生热疲劳裂纹,促进了裂纹的产生和发展.

2.3 处理改造情况

2.3.1 消除膨胀受阻

膨胀受阻后应力集中,管座焊缝极易疲劳失效断裂,存在很大的安全隐患.因此对主给水取样管进行改造,在管座与取样一次门之间增加1只膨胀弯,以增大取样管的膨胀量.在新加装膨胀弯的水平段加装刚性支吊架,支吊架与取样管连接处用不锈钢铁皮隔离.

2.3.2 挖除角焊缝裂纹

将角焊缝裂纹挖除,按照图纸尺寸制备坡口,并对坡口表面进行渗透探伤检查,无缺陷后,用镍基焊丝恢复焊接.焊后对接管座焊缝及热影响区进行局部热处理.热处理参数以F91管座为主,按照DL/T 819-2010标准执行,热处理温度为(760±5)℃.

3 改进建议

为减少或消除取样管裂纹问题,建议从以下几方面入手.

3.1 优化焊接工艺

正确引进焊接材料,调整焊缝化学成分;控制焊缝金属组织,并采用合理的焊接工艺参数,小热量输入,控制层间温度.

3.2 运行操作注意事项

操作时,取样人员首先冲洗取样器和取样管路、冷却器,阀门开启速度和开度大小应适当,过快或过大都会造成取样管内蒸汽流速急速增加,取样管与主管道产生很大的压差,压力作用于管接头与取样管的角焊缝上,会导致裂纹的产生和扩大.

3.3 注重材质的选用

为了避免异种钢焊接问题,部分电厂尝试将主汽取样管的材质改造为与管座材质相同,虽然焊接的可靠性提升,但在符合取样管材质相关要求方面值得商榷.电力行业标准《水汽集中取样分析装置验收导则》(DLT 665-2009)规定,样品流经的管路和部件应能满足所承受的压力、温度等参数要求,使用抗腐蚀、不污染水样的材料,超超临界机组高温高压段宜采用00Cr17Ni14Mo2(SUS316L/TP316L)无缝不锈钢材质,其他热力参数机组可选用1Cr18Ni9Ti(321)或00Cr19Ni11(AISI304L).在进行蒸汽取样装置改造时,应兼顾化学、锅炉不同方面的规定要求,采用加一段短管的形式是一个可折衷的方案.

3.4 加大检查、调整力度

加大4大管道、管系支吊架的检查、调整力度,尽可能地消除附加在管道上和膨胀受阻所产生的附加应力,在空间弯管的设计上应尽可能地保证可以完全吸收机组热态运行下的空间位移量.

3.5 严格控制和执行正确的热处理工艺

所有高压管道焊接后应严格控制和执行正确的热处理工艺,尽可能地消除焊缝及焊接熔合线附近的残余应力,并保持检测硬度在标准范围内和相邻部位的均匀性.

[1]王俊.A335P91主蒸汽管道取样管焊接工艺[J].内蒙古石油化工,2014(3):79-80.

[2]唐丽英,康豫军,周荣灿,等.超超临界机组主蒸汽取样管IV型开裂[C]//清洁高效燃煤发电技术协作网年会,2009.

[3]彭欣.300 MW锅炉主蒸汽管道取样管二次门焊缝失效

分析及处理[J].金属加工(热加工),2013(2):46-48.

刘恩生(1976-),男,硕士,高级工程师,从事电厂技术研究技术服务工作.

〔编辑:刘晓芳〕

TG441.7

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