某300MW机组高压导汽管法兰失效分析

张炳奇

(大唐东北电力试验研究院有限公司，长春 130000）

引言

某厂300MW机组采用东方汽轮机有限公司NC300/246-16/7/0.35/537/537型，汽轮机采用亚临界一次中间再热、双缸、双排汽、单轴、冲动、供热凝汽式，高压导汽管规格ø273×40mm、材质12Cr1MoVG，高压导汽管法兰螺栓规格M52×305mm、材质20Cr1Mo1NbVTiB，螺母材质25Cr2MoVA，法兰密封垫片（齿形垫）规格267×190×5mm、材质是0Cr18Ni10Ti。

在运行过程中，巡检人员发现高压导汽管法兰结合面附近保温有液体渗出，打开附近保温发现法兰结合面处有蒸汽外泄，确定为高压导汽管法兰泄漏。截止本次泄漏，本机组累计运行约8.2万小时，法兰螺栓累计运行约4.5万小时，法兰密封垫片累计使用约4.5万小时。

1 试验与分析

1.1 高压导汽管法兰检查

停机后对泄漏高压导汽管法兰结合面进行宏观检查，结合面平整、无划痕、杂质或裂纹等缺陷；对法兰及法兰与管道连接焊缝进行无损检测，未发现裂纹等超标缺陷。

1.2 法兰紧固件检查

法兰螺栓拆卸过程中，未见螺栓断裂和螺母脱扣现象。宏观检查发现，螺栓呈亮灰色、具有高温蒸汽氧化形貌，如下图所示。对法兰螺栓进行无损检测检测，未发现裂纹等超标缺陷。

图1 高压导汽管法兰螺栓

对法兰螺栓及螺母进行材质分析，合金成分均符合《火力发电厂高温紧固件技术导则》(DL/T 439-2018)中规定20Cr1Mo1VNbTiB材质螺栓和25Cr2MoV材质螺母的成分要求。对螺栓进行硬度检测，如表1所示，均符合《火力发电厂高温紧固件技术导则》(DL/T 439-2018)中螺栓的硬度要求：20Cr1Mo1VNbTiB材质螺栓硬度范围为255～302HB。

表1 高压导汽管法兰螺栓硬度平均值（单位:HBHLD）

对螺栓进行微观组织分析，均为回火索氏体组织，金相组织和晶粒度均符合《火力发电厂高温紧固件技术导则》(DL/T 439-2018)中“组织不应存在套晶结构，非套晶结构应为5级”规定要求。法兰螺栓微观组织形貌如图2所示。

图2 法兰螺栓微观组织

1.3 法兰密封垫片检查

对法兰密封垫片进行宏观检查，发现法兰密封垫片呈灰色、表现为高温蒸汽氧化形貌，如图2所示。密封垫片外观无汽体冲蚀痕迹。法兰密封垫片材质为0Cr18Ni10Ti，符合设计要求。

图3 高压导汽管法兰垫片宏观形貌

对法兰密封垫片厚度进行测量，不同位置厚度如下图所示，平均厚度小于4mm，密封垫片设计厚度为5mm。

图4 密封垫片厚度测量

对法兰密封垫片进行体式显微镜观察，齿形垫齿距平均2.541mm、齿顶平均宽度0.7mm、齿高平均0.5mm、齿间角平均110°，《管路法兰用金属齿形垫片》（JB/T 88-2014 ）标准规定齿形垫齿距2mm、齿顶宽度0.3mm，齿高0.85mm、齿间角90°，均不符合要求。

2 试验分析

通过现场调查和实验分析可知：

（1）泄漏高压导汽管法兰结合面光滑、无划痕、无杂志或裂纹等缺陷，无损检测未发现法兰存在裂纹等超标缺陷，法兰结合面平行，排除因法兰问题造成法兰结合面泄漏[1]。

（2）泄漏高压导汽管法兰螺栓未发生断裂和螺母脱扣现象，无损检测未发现裂纹等超标缺陷，化学成分分析、力学性能检验和微观组织观察均符合相关标准要求，排除法兰螺栓问题造成法兰结合面泄漏[2]。

（3）泄漏高压导汽管法兰密封垫片材质和选型均符合设计要求，排除垫片选型错误或材质问题造成法兰结合面泄漏[3]。

（4）泄漏高压导汽管法兰密封垫片厚度小于4mm，初始设计厚度为5.0mm，高温高压下长时间运行蠕变减少约1mm，齿距、齿顶宽度、齿高和齿间角均蠕变变形，不符合标准要求，造成法兰结合面泄露。

3 结论

本机组高压导汽管法兰结合面泄漏的主要原因是法兰密封垫片在高温和一定紧固力下发生蠕变减薄，当变薄到一定程度，无法满足密封作用，蒸汽由结合面处外泄，从而高压导汽法兰发生泄漏[4]。