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(華電電力科學研究院有限公司，濟南 250014)

0 引言

隨著調(diào)峰需求和環(huán)保要求的提高，燃氣輪機(以下簡稱燃機)機組在國內(nèi)容量明顯增加。燃機具有啟停速度快的特點，同樣容量機組的啟停損耗較燃煤機組(以下簡稱煤機)損耗少，在燃機與煤機共存的區(qū)域，一般選擇燃機為調(diào)峰機組,在夜間由于工廠用電量和用汽量削減，燃機機組的啟停較煤機機組更為頻繁，導致燃機機組問題高發(fā)，造成機組壽命一定程度的減少。

A335P11鋼是電力工業(yè)中廣泛使用的鋼種,其配管和焊接等工藝性能良好。此類低合金鋼類鋼種由于坡口形式和管系應力疊加使焊縫性能大幅降低而造成機組停機，在煤機鍋爐房管道中并不少見，而在燃機汽機房內(nèi)并不常見，可以參考的經(jīng)驗并不多，因此，對所發(fā)現(xiàn)的此類焊接裂紋問題進行深入分析研究具有重要意義。

1 事件介紹

某電廠一期工程配置2套F級(2×450 MW)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，#2機組于2017年9月20日完成168 h滿負荷試運行，正式投入運行；#4機組于2017年10月10日完成168 h滿負荷試運行，正式投入運行。

2018年6月3日啟機時(累計運行2 438 h)，發(fā)現(xiàn)#2機組汽機房6 m層高溫再熱蒸汽冷段管道(以下簡稱冷再)三通處有蒸汽冒出，于是立即申請停機。停機后對該處拆保溫檢查，發(fā)現(xiàn)冷再三通#2焊口(?559×19/A335P11)沿坡口熔合線開裂，開裂側(cè)表面有300 mm的表露裂紋，裂紋已經(jīng)貫穿；三通另一側(cè)#1焊口(?559×19/A335P11)經(jīng)超聲波檢測存在500 mm的根部裂紋，未表露至表面。

2 原因分析

2.1 施工因素判斷

結(jié)合1個月前#4機組(運行1 764 h)在汽機房6 m層冷再三通同樣位置發(fā)生過同樣的泄漏，#4機組泄漏位置為高壓旁路(以下簡稱高旁)三通的兩側(cè)，泄漏焊口為#2焊口和#3焊口，泄漏點位于三通上距離焊縫熔合線10 mm處。

由于在同樣的位置發(fā)生同樣的泄漏，初步判斷與上次原因相同。待現(xiàn)場扒開保溫后，發(fā)現(xiàn)高旁三通#2焊口(如圖1所示，#2焊口為供熱三通與高旁三通直接對接焊口)在1點鐘至5點鐘位置沿焊縫融合線開裂，在裂紋的一段存在一處打磨點，打磨點上可見裂紋15 mm左右，初步推斷為焊接及熱處理施工原因造成，隨后查閱安裝原始資料，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖1 管系布置Fig.1 Configration of pipes

2.2 擴大性檢查

考慮可能有裂紋缺陷未表露，對高旁閥后至冷再三通附近的焊口進行超聲波檢驗和磁粉檢驗。經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)，供熱三通#1焊口(如圖1所示)也同樣存在裂紋，裂紋(1點鐘至5點鐘方向)長度為580 mm，此焊口裂紋未貫穿，裂紋起始點始于坡口根部；同樣，對#2焊口進行超聲波檢測，發(fā)現(xiàn)根部不可目視裂紋長度較表露裂紋長，據(jù)此可以判斷裂紋是從根部開裂。#4機組之前發(fā)生的是同樣問題。裂紋的初始點并未發(fā)生在焊縫上，而是在閥門內(nèi)壁坡口附近，沿閥體內(nèi)壁坡口向內(nèi)延伸約15 mm處由于加工減薄而減薄面與未減薄面形成尖銳夾角，內(nèi)表面結(jié)構(gòu)尺寸不滿足要求，結(jié)構(gòu)存在突變，造成變截面應力集中。

2.3 位移量超標

在供熱三通處有一標定角鐵支架(標定角鐵支架坐落于支撐鋼架上，與管道沒有實際連接)與供熱三通外保溫鐵皮接觸，在接觸面發(fā)現(xiàn)有滑動摩擦痕跡約75 mm。借此可以推斷，在機組運行過程中，三通處存在管系膨脹且位移較大，與設計不符(原設計為18 mm)。

2.4 限位支架變形

根據(jù)第2.3分析，若存在管系位移，應該不止1個點受到影響。對三通附近的限位支架初步判斷并拆保溫后，發(fā)現(xiàn)在汽機房外冷再管道上有一處水平管X向恒力限位支架的抱箍變形扭曲，一側(cè)較為嚴重，已將支架在垂直方向抱箍壓扁變形。據(jù)此可以推斷，此處管道兩側(cè)受力不對稱，原因可能是支吊架選型、吊點設置或吊架安裝等方面有誤，致使管系局部受力情況與設計初衷不符。

2.5 初步判斷

根據(jù)目前統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，近年來國內(nèi)此類低合金管道A335P11管件很少由于焊縫本身焊接質(zhì)量的原因發(fā)生開裂。

由于燃機機組的設計容量一般較煤機機組偏小，設計參數(shù)也較低，且部分設計借鑒了國外機組的設計，有時為了節(jié)約場地或受到業(yè)主要求而追求空間上的美觀，不可避免地出現(xiàn)管系局部應力集中。

該處焊縫出現(xiàn)在焊接接頭熱影響區(qū)，連接的三通異形結(jié)構(gòu)容易造成應力集中，可能存在熱處理不充分，殘余應力、收縮應力集中，在冷熱蒸汽及積水等交變應力作用下，焊縫熔合線及母材倒角等管道最薄弱位置極易形成疲勞裂紋源，致使焊接熱影響區(qū)開裂。

通過以上分析得出，此次泄漏的主要原因為：限位支架部分承載能力失效，致使管系受到額外附加應力，并在管系的相對薄弱位置累計，產(chǎn)生應力集中致使焊縫開裂。由于坡口內(nèi)表面加工減薄，減薄面與未減薄面形成尖銳夾角，內(nèi)表面結(jié)構(gòu)尺寸不滿足要求，結(jié)構(gòu)存在突變，造成變截面應力集中，加劇了薄弱點開裂的傾向，并縮短了開裂時間。

3 解決方案

由于目前處于工業(yè)用電和用汽的高峰期，機組無法長期停機，根據(jù)目前的實際情況提出了以下解決方案。

(1)立即向原支吊架廠家采購同樣型號的限位支架，并在機組啟動前更換完畢。

(2)檢查該管系的其他支吊架是否仍有未探明膨脹受阻因素并消除。

(3)立即對本機組高旁閥后混合段至出口三通管段內(nèi)表面進行金屬疲勞損傷檢查，對于超標缺陷立即進行處理。

(4)立即對開裂焊口進行挖補修復，施工過程嚴格執(zhí)行焊接及熱處理工藝。

(5)對汽機房內(nèi)高旁三通、汽機房外冷再管道彎頭等位置加裝膨脹指示器，對管系的膨脹位移量進行監(jiān)測，監(jiān)視機組運行狀態(tài)。

(6)根據(jù)各膨脹指示器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，由設計院分析管系受力情況，并提出管系布置及支吊架受力調(diào)整方案，待機組停機時進行調(diào)整。

4 方案實施及效果

4.1 缺陷消除

由于三通的兩側(cè)焊口均已從根部開裂，且一側(cè)裂紋已經(jīng)貫穿，無法通過挖補消除缺陷，故采用坡口自動切割機對三通兩側(cè)的開裂焊縫進行整體割除。挖補前對開裂焊口的兩邊的管道及三通采用手拉葫蘆進行加固，防止挖補過程中管道突然斷開，對周圍的人員和設備造成傷害。待整條原始焊縫完全打磨消除完畢后，重新對口焊接前將閥門內(nèi)側(cè)坡口的加工倒角處打磨處理至圓滑，消除應力集中點。

4.2 焊口焊接及熱處理

由于缺陷焊縫已完全消除，故可以按照全新焊口的施工程序進行施工。由于修復的兩個焊口在同一直線上，且距離較近，若同時焊接容易造成應力損傷，故對兩個焊口按先后順序進行焊接，待#1焊口焊接完畢后，再進行三通另一側(cè)#2焊口的焊接，待兩個焊口全部焊接完畢后，同時進行焊后熱處理。

焊接前采用電加熱預熱對焊口進行預熱，焊接過程中依據(jù)DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》[1]采用多層多道焊焊接工藝(焊接參數(shù)見表1)進行焊接，焊后依據(jù)DL/T 819—2010《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術規(guī)程》[2]對焊縫立即進行焊后熱處理(熱處理參數(shù)見表2)。

表1 焊接參數(shù)Tab.1 Welding parameters

表2 熱處理參數(shù)Tab.2 Heat treatment parameters

4.3 焊口檢驗

待兩個焊口全部焊后熱處理完畢并降至室溫后[3]，依據(jù)NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》對兩個焊口進行超聲波探傷(UT)檢驗和磁粉探傷(MT)檢驗，檢驗結(jié)果質(zhì)量等級均為Ⅰ級合格。

使用HT-2000A便攜式里氏硬度計進行硬度檢測，檢測結(jié)果見表3、表4[4]，符合DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》的合格標準。

表3 硬度檢測數(shù)據(jù)1Tab.3 Hardness test data 1 HB

表4 硬度檢測數(shù)據(jù)2Tab.4 Hardness testdata 2 HB

4.4 運行監(jiān)測

對返修處的管道保溫進行恢復后，在高旁三通、汽機房外冷再管道彎頭、高壓排汽管道支管分叉等位置加裝膨脹指示器，對管系的膨脹位移量進行監(jiān)測，與機組啟停、供熱管道投運、負荷變化等情況對比記錄。

5 建議

在機組停機時，加強廠內(nèi)在運其他機組同結(jié)構(gòu)類型焊接接頭的金屬監(jiān)督力度，并進行擴大性檢查(包括表面質(zhì)量檢測和內(nèi)部質(zhì)量檢測)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理并制定相應的防范措施。對于同結(jié)構(gòu)類型的設計，建議申請進行技術改造，聯(lián)系設計院對管系的應力分布重新進行計算、分析，檢查并合理分配調(diào)整支吊架的載荷平衡，確保管系應力分配合理。

6 結(jié)束語

本文通過對冷再三通坡口結(jié)構(gòu)形式和焊縫開裂情況進行分析，并對支吊架現(xiàn)場檢查和與圖紙設計比對，確定了某450 MW燃機機組冷再三通開裂的原因，并對焊口缺陷進行修復。對于深層次的應力來源，設置了有效的膨脹監(jiān)測指示器，為機組后續(xù)技術改造升級，提供了有效的數(shù)據(jù)來源。