王甲安，王興合，張瑞臣，賀軍，馬龍信，郭佳雷

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2.中國(guó)華電集團(tuán)有限公司，北京市 西城區(qū) 100031）

0 引言

汽輪機(jī)EH油系統(tǒng)作為機(jī)組重要的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)，其可靠性直接關(guān)系到機(jī)組的正常調(diào)節(jié)運(yùn)行，極端情況下會(huì)影響電廠主設(shè)備及全廠的重大安全，甚至造成發(fā)電機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)[1-4]。油系統(tǒng)管道連接供油系統(tǒng)、危急遮斷系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，構(gòu)成回路，其作為油介質(zhì)的傳輸通道，直接關(guān)系到EH油系統(tǒng)中油介質(zhì)的流通傳遞，一旦油系統(tǒng)管道發(fā)生泄漏，將直接造成發(fā)電機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，讓企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益損失。

EH油管道主要采用不銹鋼材質(zhì)(0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等)，外徑較小，一般在Φ14～Φ32 mm，管壁厚度為 2～4 mm，正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)壓力一般在14.5 MPa左右，最高可達(dá)16 MPa，由于EH油管道管徑小、壁薄、工作壓力高，對(duì)管子材質(zhì)質(zhì)量、焊接質(zhì)量及結(jié)構(gòu)布置要求比較高。EH油管道受機(jī)組振動(dòng)、管夾固定不良以及壓力油波動(dòng)等因素影響，會(huì)產(chǎn)生頻繁的振動(dòng)現(xiàn)象，加之在基建階段EH油管道穿越空間大、走向復(fù)雜、不便排查的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患。

近期，某集團(tuán)公司發(fā)電企業(yè)發(fā)生了多起 EH油管道破裂泄漏導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)事件，本文結(jié)合這幾起典型案例，總結(jié)概括了EH油管道常見(jiàn)的幾類失效機(jī)制，主要有材質(zhì)質(zhì)量缺陷、焊接質(zhì)量缺陷、疲勞斷裂以及腐蝕等，并結(jié)合每個(gè)典型案例，簡(jiǎn)單介紹了其失效分析過(guò)程及要點(diǎn)，重點(diǎn)從技術(shù)監(jiān)督角度提出治理和防范措施，治理和防范措施具體到相應(yīng)的檢查方法和檢查內(nèi)容，切合現(xiàn)場(chǎng)，以供參考。

1 材質(zhì)質(zhì)量缺陷

材質(zhì)質(zhì)量缺陷是指金屬材料在初始狀態(tài)下其自身存在的原始缺陷，主要包括錯(cuò)用材料以及加工制造缺陷等[5-6]。對(duì)于在役機(jī)組，由于檢驗(yàn)工作量大、面廣，檢驗(yàn)方法針對(duì)性不強(qiáng)等因素，找出材質(zhì)質(zhì)量缺陷的難度很大，特別是加工制造類缺陷，通過(guò)常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)手段更加難以發(fā)現(xiàn)，因此，建議利用檢修期，制定動(dòng)態(tài)的隱患排查計(jì)劃，采取多種檢驗(yàn)手段相結(jié)合的方式，包括取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，排查加工制造類缺陷隱患。對(duì)于錯(cuò)用材料的情況，可利用光譜分析儀進(jìn)行排查。另外，最好能夠在基建期間嚴(yán)把安裝前質(zhì)量的檢驗(yàn)檢測(cè)工作，關(guān)口前移，保證機(jī)組不“帶病”運(yùn)行，同時(shí)，加強(qiáng)材料的入庫(kù)驗(yàn)收、保管、領(lǐng)用的監(jiān)督管理，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7-9]要求，切實(shí)做好材料的檢驗(yàn)檢測(cè)。

2017年9月24日某電廠2號(hào)機(jī)組(600 MW)發(fā)生EH油管泄漏，位于彎管處中性面位置，呈縱向開(kāi)裂。油管道規(guī)格為Φ16×2 mm，材質(zhì)為0Cr18Ni9不銹鋼管。首先進(jìn)行了化學(xué)成分分析，成分無(wú)異常，外觀檢查，發(fā)現(xiàn)彎管內(nèi)、外表面有多處明顯制造劃痕，部分劃痕縱向延伸至整個(gè)管件。微觀組織分析組織正常，為正常奧氏體組織，未見(jiàn)晶間腐蝕裂紋，但存在大量帶狀缺陷，在服役過(guò)程中，這些帶狀組織缺陷易成為裂紋源，使材料發(fā)生失效開(kāi)裂，降低了材料的使用壽命。維氏硬度檢測(cè)結(jié)果表明油管的彎管部分的維氏硬度值已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)要求。分析認(rèn)為，該泄漏的主要原因是材質(zhì)質(zhì)量缺陷，微觀組織存在大量帶狀缺陷，彎管表面質(zhì)量差，隨著時(shí)間的推移，缺陷擴(kuò)大最終導(dǎo)致EH油管道泄漏。

2 焊接質(zhì)量缺陷

焊接質(zhì)量缺陷，主要包括裂紋、未焊透、未熔合、咬邊、氣孔、焊瘤等缺陷，這些缺陷存在于金屬基體中，減少了焊縫截面積，降低了基體承載能力，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力的作用下，缺陷逐漸發(fā)展，最終導(dǎo)致基體開(kāi)裂[5]。焊接質(zhì)量受坡口形式、母材、焊材、焊接工藝、熱處理工藝以及焊工技術(shù)水平等因素影響較大。由于 EH油管管徑小、管壁薄，焊接時(shí)大多采用承插焊接方式，承插焊類似于角焊縫，具有一定的焊接強(qiáng)度，但焊后應(yīng)力狀況不好，易發(fā)生焊接未焊透，另外，EH油管安裝空間小，現(xiàn)場(chǎng)焊接施工較困難，在焊接過(guò)程中容易發(fā)生焊縫焊接工藝控制不佳，造成焊接質(zhì)量差，勢(shì)必導(dǎo)致焊縫應(yīng)力集中傾向增加，加速焊接失效。針對(duì)焊接質(zhì)量缺陷，可通過(guò)加強(qiáng)焊材質(zhì)量監(jiān)督、焊接過(guò)程監(jiān)督，提高焊工技術(shù)水平等有效手段來(lái)保證焊接質(zhì)量，后期可以通過(guò)采用合適的檢驗(yàn)檢測(cè)方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷。

2017年7月4日某電廠3號(hào)機(jī)組發(fā)生EH油管泄漏，檢查人員就地檢查，發(fā)現(xiàn)EH油A泵出口管道(規(guī)格Φ25×2.5mm、材質(zhì) 1Cr18Ni9Ti)至出口濾網(wǎng)前活節(jié)焊縫熔合線處開(kāi)裂，見(jiàn)圖 1。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)該管道與活節(jié)采用承插式焊接方式，焊口采用單道焊接，未采取多層多道的焊接成型方式，造成焊口存在較大的殘余應(yīng)力。射線檢測(cè)結(jié)果表明該類承插式焊縫存在未焊透缺陷。對(duì)該插接接頭縱向剖開(kāi)后，宏觀檢查發(fā)現(xiàn)焊縫部位的管子內(nèi)壁存在焊瘤缺陷，表明焊接工藝控制不佳，再加上焊接時(shí)未留有膨脹間隙帶來(lái)的膨脹附加應(yīng)力，造成在熔合線處產(chǎn)生明顯的微裂紋，繼而在管道持續(xù)的低幅度振動(dòng)作用下，最終導(dǎo)致在焊縫處開(kāi)裂。

圖1 EH油管道承插式焊接宏觀形貌圖Fig. 1 Macro-morphology of EH oil pipeline socket welding

3 疲勞斷裂

疲勞斷裂是指金屬部件在交變應(yīng)力的作用下，首先在局部應(yīng)力集中或強(qiáng)度較低部位產(chǎn)生裂紋，裂紋隨后擴(kuò)展導(dǎo)致的斷裂[5]。疲勞斷裂時(shí)無(wú)明顯的塑性變形，引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，通常都是低于靜載時(shí)的屈服強(qiáng)度，其微觀形貌能清楚地顯示疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)。疲勞斷裂具有在時(shí)間上的突發(fā)性，在位置上的局部性及對(duì)環(huán)境和缺陷的敏感性等特點(diǎn)，故疲勞斷裂常不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)且易于造成事故。

圖2 斷口掃描電鏡圖Fig. 2 SEM image of the fracture

2017年6月21日某電廠1號(hào)機(jī)組因EH油管泄漏造成機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。該EH油管材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，規(guī)格為Φ14×2.5 mm，首先進(jìn)行了化學(xué)成分分析，成分無(wú)異常，宏觀檢查，斷口表面凹凸不平，較為粗糙，存在明顯區(qū)域性特征。對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)斷口存在明顯的疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)。圖2為斷口在掃描電鏡下的微觀形貌圖，可見(jiàn)疲勞擴(kuò)展區(qū)存在明顯疲勞輝紋，終斷區(qū)有明顯突起及變形跡象，微觀呈韌窩斷口形貌，屬于典型的疲勞斷裂[4-5]。為進(jìn)一步查找疲勞斷裂的原因，對(duì)斷口試樣進(jìn)行了金相組織分析，母材組織為正常奧氏體組織，焊縫區(qū)金相組織明顯粗大，熔合區(qū)附近晶界較粗大，表明該焊縫焊接工藝控制不佳，焊接線能量過(guò)大，焊接質(zhì)量差，勢(shì)必導(dǎo)致該焊縫應(yīng)力集中傾向增加。該斷口所處位置位于EH油管道接頭螺母旁，距離中調(diào)門(mén)閥很近，本身在服役狀態(tài)下就是應(yīng)力相對(duì)集中區(qū)，而內(nèi)部又承受了15 MPa的工作油壓，加上焊接工藝控制不良帶來(lái)的附加應(yīng)力，繼而在持續(xù)受到機(jī)組振動(dòng)帶來(lái)的直接或間接的低周交變應(yīng)力作用下，最終導(dǎo)致在薄弱部位開(kāi)裂、擴(kuò)展，直至完全斷裂。

4 腐蝕

EH油系統(tǒng)的正常工作油溫為 21～60 ℃，運(yùn)行中一般控制在43～55 ℃，當(dāng)EH油局部過(guò)熱時(shí)，就可能產(chǎn)生氧化，導(dǎo)致酸值增加變質(zhì)，對(duì)伺服閥、電磁閥、管道等產(chǎn)生腐蝕。統(tǒng)計(jì)歷年EH油管道泄漏事件，EH油管道因腐蝕原因造成泄漏的情況并不多見(jiàn)，但是，因EH油酸值、水分、顆粒度升高造成油質(zhì)下降進(jìn)而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行的事件時(shí)有發(fā)生，運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)EH油取樣化驗(yàn)監(jiān)督，如發(fā)現(xiàn)油中酸度、電阻率、水分、顆粒度等嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行換油處理。

2018年 1月28日某電廠 11號(hào)機(jī)組發(fā)生了GV3油動(dòng)機(jī)EH安全油管道彎頭內(nèi)側(cè)因腐蝕導(dǎo)致漏油，造成 EH油壓低機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。該 EH油管道彎頭漏點(diǎn)處最靠近主汽門(mén)的殼體，運(yùn)行溫度相對(duì)較高，在高溫的長(zhǎng)期作用下，EH油發(fā)生變質(zhì)，并結(jié)成油垢沉積在彎頭局部管壁上，隨著油垢的濃度和酸度大幅增加，較高的溫度又加快了腐蝕，形成腐蝕坑，最終穿透管壁而發(fā)生泄漏。通過(guò)對(duì)該彎頭縱向剖開(kāi)宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)在油管彎頭處存在長(zhǎng)約6 cm左右的黑色硬質(zhì)碳化物，清理后，有2個(gè)5 mm左右的腐蝕坑，其中有一個(gè)腐蝕坑已完全穿透管壁造成本次事件。

5 結(jié)論與建議

EH油管道作為油介質(zhì)的傳輸通道，直接關(guān)系到EH油系統(tǒng)中油介質(zhì)的流通傳遞，一旦油系統(tǒng)管道發(fā)生泄漏，將直接造成發(fā)電機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。本文結(jié)合幾起典型案例，從金屬材料角度，概括了EH油管道常見(jiàn)的幾類失效機(jī)制，主要有材質(zhì)質(zhì)量缺陷、焊接質(zhì)量缺陷、疲勞斷裂以及腐蝕等。各發(fā)電企業(yè)應(yīng)高度重視EH油系統(tǒng)管道的監(jiān)督、檢驗(yàn)和診斷，超前預(yù)測(cè)EH油管道的缺陷和隱患，全面提高EH油管道的安全穩(wěn)定。

1）重視對(duì)EH油管道的監(jiān)督檢驗(yàn)，全面梳理基建期間及在役運(yùn)行階段EH油管道等機(jī)、爐外小管及壓力容器技術(shù)檔案，建立健全技術(shù)檔案，動(dòng)態(tài)管理。技術(shù)檔案至少應(yīng)包括系統(tǒng)名稱、安裝部位、管道(及閥門(mén))、規(guī)格及長(zhǎng)度、彎頭數(shù)量及位置、使用材質(zhì)、焊口數(shù)量及位置，檢驗(yàn)及更換記錄等等，必要時(shí)應(yīng)有管線圖。

2）組織排查EH油管道是否存在焊縫質(zhì)量缺陷、管道異常振動(dòng)、管道布置不合理、管道材質(zhì)缺陷、與熱源安全距離不足、管道支吊架異常情況等問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要及時(shí)采取有效的防范措施。

3）加強(qiáng)EH油管道振動(dòng)監(jiān)測(cè)與治理。EH油管道受機(jī)組振動(dòng)、管夾固定不良以及壓力油波動(dòng)等因素影響，會(huì)產(chǎn)生頻繁的振動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)避免管道和焊縫長(zhǎng)期處在振動(dòng)較大的工況下運(yùn)行，及時(shí)治理，消除隱患。

4）加強(qiáng)對(duì)EH油管道焊縫的檢驗(yàn)檢測(cè)，特別是插入式焊接結(jié)構(gòu)形式的三通焊縫、結(jié)構(gòu)突變部位焊縫的檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用射線探傷與滲透探傷結(jié)合的方式，如檢測(cè)空間允許，進(jìn)行射線探傷時(shí)應(yīng)采用2次透射的方式(2次透射角度相差90°)，以提高缺陷檢出率。

5）加強(qiáng)EH油管的焊接監(jiān)督：對(duì)于性能不良、存在缺陷的焊口進(jìn)行更換，更換時(shí)，優(yōu)先采用對(duì)接形式，加強(qiáng)焊工技術(shù)資格的審查，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝要求，焊接過(guò)程應(yīng)有專人進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督，加強(qiáng)過(guò)程質(zhì)量控制。焊后對(duì)焊口進(jìn)行100%檢驗(yàn)。

6）加強(qiáng)新更換EH油管的檢驗(yàn)。更換的新管必須按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求經(jīng)檢驗(yàn)合格后方可投入使用。其化學(xué)成分、規(guī)格尺寸應(yīng)符合要求，無(wú)表面質(zhì)量缺陷，必要時(shí)，應(yīng)取樣進(jìn)行微觀組織、力學(xué)性能、工藝性能的檢驗(yàn)。