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        某電廠高壓調(diào)汽門EH油管斷裂原因

        2021-07-28 07:41:04劉文生
        理化檢驗(yàn)(物理分冊) 2021年7期
        關(guān)鍵詞:高調(diào)三通支管

        劉文生

        (中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司中南電力試驗(yàn)研究院, 鄭州 450000)

        EH油管(抗燃油管)由于規(guī)格小且屬于爐外管道(火電廠熱力系統(tǒng)內(nèi)位于鍋爐和汽輪機(jī)本體外部的最高工作壓力大于0.1 MPa的輸送液體的管道),在設(shè)計、制造、安裝、運(yùn)行、檢驗(yàn)、管理等環(huán)節(jié)往往容易被忽視,因而其發(fā)生開裂泄漏甚至開裂后造成機(jī)組非計劃停機(jī)的事故時有發(fā)生[1-3]。

        某電廠3號機(jī)組4號高壓調(diào)汽門(以下簡稱高調(diào)門)EH油管發(fā)生斷裂并造成機(jī)組非計劃停機(jī),發(fā)生斷裂前累計服役3萬h,該油管正常工作壽命為10萬h,屬早期斷裂。該電廠汽輪機(jī)組為國產(chǎn)的N670-24.2/566/566型670 MW汽輪超臨界機(jī)組,汽輪機(jī)為一次中間再熱、單軸三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。斷裂EH油管位于三通與支管焊縫根部附近,支管材料為0Cr18Ni9不銹鋼,規(guī)格為φ16 mm×2 mm,EH油管母管及三通材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼,母管規(guī)格為φ25 mm×2.5 mm,三通與支管以角焊縫形式通過手工氬弧焊焊接方法焊接成形。為找到該EH油管的斷裂原因,筆者從設(shè)計、安裝、運(yùn)行等方面進(jìn)行分析,并提出了改進(jìn)措施,以期為解決同類失效問題提供參考。

        1 理化檢驗(yàn)

        1.1 宏觀觀察

        斷裂EH油管宏觀形貌如圖1所示,可知三通與支管的焊縫為角焊縫,斷口位于角焊縫根部附近;三通的厚度明顯大于支管的,且三通向支管過渡未采用圓滑過渡,工藝設(shè)計上存在缺陷,導(dǎo)致斷口附近成為應(yīng)力集中區(qū)域。

        圖1 斷裂EH油管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured EH oil pipe

        對支管斷口進(jìn)行宏觀觀察,可見斷口存在2個裂紋源、2個終斷區(qū),呈對稱分布;斷口貝紋線不明顯,斷口平齊,呈脆性斷裂特征,見圖2a)。同時,斷口附近存在明顯打磨痕跡,打磨后沿管子周向產(chǎn)生微小的線性缺陷,線性缺陷擴(kuò)展成為微裂紋,見圖2b)。判斷線性缺陷應(yīng)為焊接前打磨產(chǎn)生。

        圖2 斷裂EH油管支管斷口及斷口側(cè)面微裂紋形貌Fig.2 Morphology of fracture and micro cracks on the side of fractured EH oil pipe branch pipe:a) fracture; b) micro cracks on the side of fracture

        1.2 金相檢驗(yàn)

        圖3為斷裂EH油管支管的顯微組織形貌。由圖3a)可知,裂紋源區(qū)附近外表面存在微裂紋,與宏觀觀察結(jié)果一致;由圖3b)可知,斷口處內(nèi)外壁顯微組織不均勻;圖3c)為EH油管支管遠(yuǎn)離斷口處外壁的顯微組織形貌,可見組織為奧氏體,為典型的等軸晶組織,組織正常;圖3d)為EH油管支管遠(yuǎn)離斷口處內(nèi)壁的顯微組織形貌,可見組織為奧氏體,呈帶狀分布,判斷EH油管支管內(nèi)外壁顯微組織差異較大可能與其生產(chǎn)制造過程中固溶處理不完全有關(guān)。

        圖3e),f)為斷口及其附近的顯微組織形貌,可見斷口邊緣及附近顯微組織為奧氏體+形變馬氏體組織,而圖3c),d)中遠(yuǎn)離斷口的顯微組織中未見形變馬氏體組織,即形變馬氏體非制造過程中產(chǎn)生,應(yīng)為運(yùn)行過程產(chǎn)生的[4]。斷口附近未見分支裂紋及沿晶裂紋,可排除應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕的可能性。

        圖3 斷裂EH油管支管不同位置處的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of fractured EH oil pipe branch pipe at different positions:a) morphology of micro cracks on the outer wall near crack source region;b) microstructure morphology of fracture; c) microstructuremorphology of outer wall far away from fracture; d) microstructure morphology of inner wall far away from fracture;e) microstructure morphology of inner wall of fracture; f) microstructure morphology of inner wall near fracture

        1.3 顯微硬度測試

        對斷口邊緣、斷口附近及遠(yuǎn)離斷口母材區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測試,測試順序?yàn)閺臄嗫谶吘夐_始逐漸向遠(yuǎn)離斷口方向,每兩個硬度點(diǎn)間隔0.2 mm,直到硬度變化較小為止,遠(yuǎn)離斷口部位分別測量外壁側(cè)與內(nèi)壁側(cè)顯微硬度。硬度測試結(jié)果見表1。

        由表1可知,從斷口邊緣到遠(yuǎn)離斷口處,外壁側(cè)的硬度逐漸降低,且斷口邊緣硬度明顯高于其他部位。因?yàn)閿嗫谶吘夛@微組織為形變馬氏體組織,遠(yuǎn)離斷口處為奧氏體組織,而馬氏體的硬度遠(yuǎn)高于奧氏體的。遠(yuǎn)離斷口處外壁側(cè)的硬度明顯低于內(nèi)壁側(cè)的,這與內(nèi)壁側(cè)固溶不完全引起帶狀組織有關(guān)。

        表1 斷裂EH油管支管的顯微硬度Tab.1 Microhardness of fractured EH oil pipe branch pipe HV1

        2 運(yùn)行情況分析

        查閱3號機(jī)組EH油管斷裂前歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),運(yùn)行中與EH油管相對應(yīng)的4號高調(diào)門存在間斷的伺服閥線圈電壓波動、指令與反饋偏差大、閥門開度波動等情況,4號高調(diào)門VP(閥位)卡故障、接線松動、外界信號干擾等因素均可能引起4號高調(diào)門VP卡輸出波動,進(jìn)而引起4號高調(diào)門波動。

        EH油管發(fā)生斷裂后,對斷裂處進(jìn)行緊急搶修工作,重新焊接后機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電,因VP卡在線更換和檢測對機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生較大的風(fēng)險,現(xiàn)場采取了臨時措施,將閥序由原來的4/3-2-1更改為1/2-3-4,為了防止4號高調(diào)門波動,強(qiáng)制關(guān)閉4號高調(diào)門,機(jī)組負(fù)荷暫時由GV1(1號高壓調(diào)汽門)、GV2和GV3進(jìn)行調(diào)節(jié)。在機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行1 360 h后,機(jī)組計劃停機(jī),停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn),4號高調(diào)門VP卡接線端子松動,現(xiàn)場對VP卡進(jìn)行更換處理。

        3 原因分析

        以上檢驗(yàn)結(jié)果表明,斷口位于EH油管三通與支管連接角焊縫附近,同時三通與支管角焊縫部位未采用圓滑過渡,設(shè)計上存在缺陷,導(dǎo)致三通與支管連接部位成為應(yīng)力集中區(qū)域;斷口處存在2個裂紋源區(qū)與2個終斷區(qū),斷口平齊,呈脆性斷裂特征;斷口附近存在沿管子周向的打磨線性缺陷,線性缺陷擴(kuò)展成為微裂紋。

        EH油管支管遠(yuǎn)離斷口外壁側(cè)顯微組織為典型的等軸晶奧氏體組織,顯微組織正常,且硬度正常,遠(yuǎn)離斷口處內(nèi)壁側(cè)顯微組織呈明顯的帶狀分布,且其硬度明顯高于外壁側(cè)的。EH油管支管內(nèi)外壁顯微組織差異較大與其生產(chǎn)制造過程中固溶處理不完全有關(guān),管子加工成形后一般通過固溶處理改善其組織狀態(tài),若加熱過程中保溫時間較短,會導(dǎo)致內(nèi)壁合金元素來不及充分?jǐn)U散而使得部分組織保留下來;斷口邊緣及附近為典型形變馬氏體組織,形變馬氏體產(chǎn)生應(yīng)與該區(qū)域存在應(yīng)力集中且在機(jī)組運(yùn)行過程中承受交變應(yīng)力有關(guān),形變馬氏體組織硬度高于奧氏體的,從而導(dǎo)致了斷口附近硬度增大、脆性增大。

        奧氏體不銹鋼基體組織中存在滑移帶和孿晶,塑性變形過程中,奧氏體組織內(nèi)滑移帶、孿晶密度不斷增加,滑移線相互交錯排布,隨著塑性變形進(jìn)一步增加,滑移帶相互交割,奧氏體組織逐漸向馬氏體組織轉(zhuǎn)變,該轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц袂凶兦覟榉菙U(kuò)散型的轉(zhuǎn)變。塑性變形過程中,材料內(nèi)部的位錯增加,導(dǎo)致硬度隨應(yīng)變增加而呈線性增大[5-8]。

        4號高調(diào)門VP卡接線端子松動,引起4號高調(diào)門VP卡輸出波動,造成了4號高調(diào)門的波動,而高調(diào)門的波動導(dǎo)致了EH油管發(fā)生振動,在EH油管三通與支管連接角焊縫的應(yīng)力集中區(qū)域形成較大的交變應(yīng)力,不斷循環(huán)的交變應(yīng)力使得該部位顯微組織發(fā)生形變,形成形變馬氏體,形變馬氏體硬度高、脆性大,隨著工作時的不斷振動,形變馬氏體數(shù)量增加,從而導(dǎo)致該部位的硬度、脆性增大,同時三通設(shè)計上的缺陷及打磨線性缺陷的存在,最終EH油管支管發(fā)生脆性斷裂。

        4 結(jié)論及建議

        綜合以上情況,3號機(jī)組4號高調(diào)門EH油管發(fā)生斷裂的主要原因?yàn)?號高調(diào)門VP卡接線端子松動引起高調(diào)門波動,造成了EH油管支管振動;在三通與支管連接角焊縫的應(yīng)力集中區(qū)域形成較大的交變應(yīng)力,使得該部位組織發(fā)生形變,形成形變馬氏體,形變馬氏體的硬度高,脆性大,從而導(dǎo)致該部位硬度升高、脆性增大;同時三通設(shè)計上存在缺陷及打磨線性缺陷的存在,最終EH油管支管發(fā)生了脆性斷裂。

        建議更換EH油管同類型三通;EH油管焊接前需打磨時優(yōu)先采用百葉輪打磨;加強(qiáng)運(yùn)行管理,如有振動情況應(yīng)及時查明原因并采取措施。

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