馮作明 楊鐵存

四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 （四川 成都 610061）

主蒸汽母管道作為火力發(fā)電機(jī)組重要的部件之一，其安全可靠性是各技術(shù)部門（特別是技術(shù)監(jiān)督）最關(guān)心的問(wèn)題。由于主蒸汽管道長(zhǎng)期在高溫高壓的蒸汽作用下會(huì)產(chǎn)生材質(zhì) “老化”現(xiàn)象。近年來(lái)，各發(fā)電機(jī)組關(guān)于主蒸汽母管道裂紋泄露事件時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。以四川石化南充煉油廠動(dòng)力車間汽輪機(jī)房在用中溫中壓主蒸汽母管道定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的裂紋為實(shí)例，對(duì)裂紋產(chǎn)生原因加以分析。

1 主蒸汽母管道概況

該主蒸汽母管道是動(dòng)力車間最重要的管道，3臺(tái)蒸汽鍋爐的發(fā)電動(dòng)力蒸汽均匯集于此管進(jìn)入汽輪機(jī)作業(yè)，且運(yùn)行過(guò)程中，常年不能停車，致使該管道長(zhǎng)期在中溫、中壓下運(yùn)行，工況較為惡劣，并且于上世紀(jì)80年代安裝并投入使用后，至今經(jīng)過(guò)多次局部修理改造，如圖1所示，A管道于2008年更換，B、C管道經(jīng)過(guò)多次局部焊補(bǔ)，使用期間曾發(fā)生過(guò)多次事故。其工作壓力3.9MPa，工作溫度450℃，材質(zhì)為20鋼,規(guī)格為 Φ219×9mm，Φ159×7mm，Φ133×13mm。

2 母管道外觀檢查

檢驗(yàn)前，拆除該母管道所有保溫層，發(fā)現(xiàn)母管外表面均勻腐蝕較嚴(yán)重（圖2），特別是各焊縫周圍均有大小不一的腐蝕坑。另外，整條管道只有兩端有簡(jiǎn)易的固定吊架，且處于損壞狀態(tài)。

3 母管外表面磁粉檢測(cè)

根據(jù)檢驗(yàn)方案，對(duì)1#～23#焊縫進(jìn)行了100%磁粉無(wú)損檢測(cè)，如圖3所示。

經(jīng)管道表面磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，8#焊縫裂紋一條，如圖4（A）所示，裂紋沿焊縫與管道母材熔合線分布，長(zhǎng)約70mm；10#焊縫裂紋兩處，一處裂紋3條，如圖4（B）所示，裂紋幾乎橫向切斷焊縫，表面開(kāi)口度已達(dá)1mm，最長(zhǎng)一條裂紋長(zhǎng)約25mm,另外一處為密集型裂紋，沿焊縫與管道母材熔合線分布，約8條，最長(zhǎng)一條約 15mm，見(jiàn)圖 4（C）；13#焊縫裂紋 3條，其中一條位于焊縫金屬上，與熔合線成45°角，長(zhǎng)約4mm，另外兩條沿焊縫與母材熔合線分布，最長(zhǎng)一條長(zhǎng)約35mm。同時(shí)，10#和13#焊縫裂紋處母材上可見(jiàn)數(shù)個(gè)直徑約2～3mm的疏松孔。此外，在C管中部的母材表面發(fā)現(xiàn)裂紋一條，裂紋呈曲折蜿蜒狀，長(zhǎng)約5mm，如圖4（E）所示。結(jié)合圖3可知，此次檢驗(yàn)中，B管道8#、10#、13#焊縫和C管道母材表面均發(fā)現(xiàn)裂紋，A管道未發(fā)現(xiàn)裂紋。

4 化學(xué)成分分析

蒸汽管母材的化學(xué)成分結(jié)果見(jiàn)表1，其化學(xué)成分符合GB3087-2008低中壓鍋爐用無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于20鋼各元素含量范圍的規(guī)定。

5 金相檢驗(yàn)

在13#焊縫裂紋附近B管母材上做金相覆膜試驗(yàn)，其金相組織為鐵素體和珠光體，其中，部分區(qū)域分布有球狀珠光體,球化程度較嚴(yán)重,如圖5所示。

6 硬度試驗(yàn)

用便攜式里氏硬度計(jì)分別對(duì)A、B、C管道母材進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)硬度試驗(yàn)，里氏硬度數(shù)據(jù)通過(guò)換算以布氏硬度表示，對(duì)A、B、C三管母材表面分別測(cè)試13個(gè)有效布氏硬度數(shù)據(jù)并取平均值，結(jié)果如表2所示。

7 原因分析

經(jīng)資料審查可知，此次檢驗(yàn)的三段母管中A段管道是2008年新?lián)Q，而B(niǎo)、C兩段管道均是80年代安裝投用后至今，期間多次發(fā)生事故，經(jīng)過(guò)多次維修改造。而恰好此次檢驗(yàn)出的裂紋均出現(xiàn)在B、C兩管段上，新?lián)Q的A管段未發(fā)現(xiàn)裂紋。

（1）材料劣化，抗疲勞能力下降，易產(chǎn)生疲勞裂紋。根據(jù)《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定20鋼用于蒸汽管道材料時(shí)，最高使用溫度不應(yīng)超過(guò)430℃(703K)。此次檢驗(yàn)的B、C兩管道材質(zhì)為20鋼，但使用溫度卻達(dá)450℃。由此可見(jiàn)，該管道長(zhǎng)期（投用至今累計(jì)運(yùn)行近20萬(wàn)h）處于超過(guò)材料使用上限溫度下運(yùn)行，材料劣化在所難免。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 /%

從金相組織方面分析，由圖5的金相組織照片可看出管道母材出現(xiàn)了較嚴(yán)重的球化現(xiàn)象。而球化程度是材料劣化的微觀表征，球化程度越深，材料劣化越嚴(yán)重[1]，由此可見(jiàn)，B、C管道母材已嚴(yán)重劣化；從硬度檢驗(yàn)結(jié)果分析也能很好印證這一點(diǎn)。眾所周知，一般情況下，金屬材料的硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系，硬度越高，強(qiáng)度值也就越高，因此可以由布氏硬度值來(lái)表征材料的強(qiáng)度值，也即體現(xiàn)材料的力學(xué)性能狀況。由表2可看出，B、C管道母材硬度遠(yuǎn)比A管道母材低，說(shuō)明B、C管道母材強(qiáng)度遠(yuǎn)低于A管道，B、C管道母材力學(xué)性能惡化，材料劣化。這是因?yàn)椴牧狭踊蟛牧现星驙钐蓟飳?duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力小于球化前的片狀碳化物[2]。材料劣化使材料抗疲勞裂紋能力下降，從而易產(chǎn)生疲勞裂紋。

表2 硬度測(cè)試結(jié)果表

（2）腐蝕坑存在，有助于裂紋擴(kuò)展。由外觀檢驗(yàn)和磁粉檢測(cè)可看出，裂紋區(qū)域存在有大量的腐蝕坑。文獻(xiàn)[3]研究表明腐蝕坑會(huì)導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，使部件抗疲勞的能力下降。

（3）母材中的疏松孔洞，易形成裂紋源。由外觀檢查中可發(fā)現(xiàn)該管道母材存在多個(gè)疏松孔洞，這些疏松孔洞破壞了基體金屬的均勻連續(xù)性，減少了基體金屬的承載截面積，并產(chǎn)生應(yīng)力集中。文獻(xiàn)[4]研究表明，材料應(yīng)力集中的缺陷處最容易直接形成疲勞裂紋源。

（4）二次應(yīng)力。該管道投用至今累計(jì)運(yùn)行近20萬(wàn)h，運(yùn)行期間啟停數(shù)十次。機(jī)組啟停過(guò)程中，管道熱脹冷縮等變形受約束而產(chǎn)生二次應(yīng)力，也是造成疲勞裂紋的主要原因[3]。

（5）輔助設(shè)施不完善。在外檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該管道只有兩端有簡(jiǎn)易的固定支吊架，且已損壞，因此，管道基本長(zhǎng)期處于無(wú)固定支吊架狀態(tài)。無(wú)支吊架的限位作用，管道容易發(fā)生偏移，造成管道局部應(yīng)力增加，加速了管道的損壞；另外，無(wú)固定支吊架約束，管道易產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊，振動(dòng)、沖擊傳遞到焊縫根部，產(chǎn)生附加交變應(yīng)力，促進(jìn)焊縫裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。

（6）其他原因。在多次的維修改造過(guò)程中，松、緊與管道連接的閥門法蘭螺栓時(shí)較大的外力也是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的重要原因。

8 結(jié) 論

綜合上述分析可得，主蒸汽管道焊縫及其母材上存在的缺陷是產(chǎn)生裂紋的根源；長(zhǎng)時(shí)間在較高的溫度下運(yùn)行，其金屬部件出現(xiàn)材質(zhì)劣化，使材料抗疲勞裂紋能力下降，是裂紋產(chǎn)生的主要原因；長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中不可避免產(chǎn)生的各種腐蝕坑有助于裂紋擴(kuò)展；另外，固定支吊架設(shè)計(jì)不合理和維護(hù)、檢修不善而導(dǎo)致局部應(yīng)力增加、管道振動(dòng)、沖擊產(chǎn)生的附加交變應(yīng)力以及管道維修過(guò)程中的外力也是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的重要原因。

裂紋是主蒸汽管道發(fā)生事故的主要原因。因此，一方面，在主蒸汽管道制造、安裝、使用過(guò)程中盡量減少或避免引起裂紋產(chǎn)生的因素；另一方面，在主蒸汽管道維護(hù)和檢驗(yàn)過(guò)程中要進(jìn)行嚴(yán)格清查，對(duì)清查出的裂紋要及時(shí)進(jìn)行徹底消除。只有這樣才能提高主蒸汽管道的安全可靠性，確保動(dòng)力車間安全運(yùn)行。

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[2]李兵.10CrMo910鋼球化加速特點(diǎn)及恢復(fù)熱處理工藝的研究[J].熱加工工藝,2002(6):50-51.

[3]黃橋生,萬(wàn)克洋.主蒸汽管道裂紋原因分析及防治措施[J].華中電力,2009,22（6）:78-80.

[4]項(xiàng)智.鍋爐壓力容器壓力管道檢驗(yàn)中的裂紋問(wèn)題[J].石油和化工設(shè)備,2011,14（10）:51-53.