文/亓海峰

大型發(fā)電廠鍋爐主蒸汽管道長期在高溫、高壓狀態(tài)下運行，其安全與否對電廠鍋爐的正常運行十分重要，其中主蒸汽管道產(chǎn)生裂紋直接威脅著鍋爐機組的安全運行。

某發(fā)電廠2號鍋爐為亞臨界參數(shù)控制循環(huán)單汽包固態(tài)水力排渣煤粉爐。鍋爐形式為SG—1025/17.44—M 844，該爐已累計運行13.7萬小時，其過熱器出口壓力為17.44 MPa，溫度為541℃，主蒸汽管道材質(zhì)為12Cr1MoV，規(guī)格為Φ610×95 mm，在對此鍋爐內(nèi)部檢驗時，對主蒸汽管道大包上部出來第1個彎頭上環(huán)焊縫進行無損檢測抽查時，發(fā)現(xiàn)在以正上方為零點（沿介質(zhì)流向右視）順時針4點至6點鐘方向，發(fā)現(xiàn)1條斷續(xù)縱向裂紋磁痕缺陷顯示，長度約180 mm，沿著熔合線分布，后經(jīng)打磨消除，打磨最深處為15 mm。

結(jié)合檢驗前查詢的機修資料及運行記錄，該鍋爐在運行期間經(jīng)歷多次啟停，在上次B修時（A是大修，B是一般性大修，C是一般性小修），曾出現(xiàn)過表面裂紋，本文根據(jù)主蒸汽管道裂紋的位置、形態(tài)分布等，通過多種方法對此管道進行檢驗分析。

檢驗過程分析

此鍋爐的主蒸汽管道布置是由末級過熱器出口集箱，爐頂大包引出后，經(jīng)過第1個彎頭到達大包頂部平臺，此缺陷正是出現(xiàn)在第1個彎頭焊縫處，該彎頭承受較大的拉應(yīng)力和疲勞應(yīng)力效應(yīng)。

一是對該鍋爐主蒸汽管道彎頭及相鄰直管段進行壁厚測定，對上環(huán)焊縫周圈的爐上、爐下、爐前、爐后均勻測定，距離焊縫50 mm處實測壁厚分別為：90.10 mm、89.38 mm、89.27 mm、88.03 mm。實測最小壁厚88.03 mm，所測各點壁厚均大于最小需要壁厚（83.50 mm），可知壁厚測定及宏觀檢查未見異常。

二是根據(jù)TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》J3.10 第（5）款的規(guī)定，對鍋爐范圍內(nèi)管道和主要連接管道進行表面無損檢測和超聲檢測抽查，對主蒸汽管道大包上部出來第1個彎頭，除裂紋缺陷處之外，在上環(huán)焊縫和下環(huán)焊縫分別進行了磁粉檢測和超聲檢測，彎頭部位也進行了磁粉檢測，均未見異常。

三是金相組織檢驗和硬度檢測。根據(jù)TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》J3.10 第（6）款和J3.15.7 第（1）、（3）款的規(guī)定，對鍋爐范圍內(nèi)管道和主要連接管道，工作溫度大于或等于450 ℃的主蒸汽管道中的焊接接頭和彎頭進行硬度和金相檢測抽查。金屬材料的性能與其化學(xué)成分、組織狀態(tài)有著密切關(guān)系。金相組織檢驗是檢測金屬材料性能的重要手段之一，材料的化學(xué)成分確定后，其性能就取決于材料的組織狀態(tài)。金相組織檢驗包括宏觀檢驗和金相顯微組織檢驗。宏觀檢驗就是用肉眼或借助低倍放大鏡直接進行觀察，可以檢查金屬宏觀組織和缺陷。此次檢測主要用金相顯微鏡進行檢驗，提前用角磨機和研磨膏打磨好焊縫表面，借助顯微鏡來觀察焊接接頭各區(qū)域的顯微組織、偏析、缺陷，以及析出相的種類、性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量等，以此來檢驗焊接接頭的組織和缺陷。通過對焊接接頭金相組織的檢測分析，可以了解焊縫金屬中晶粒度及組織狀況，組織老化程度等。

在主蒸汽管道裂紋缺陷位置附近進行金相組織檢驗，用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在400倍金相顯微鏡下根據(jù)GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》評定，金相結(jié)果顯示裂紋周圍正常位置金相組織為回火貝氏體，金相組織未見異常情況，組織評定為2.5級，符合DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與技術(shù)評定導(dǎo)則》、DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》。

四是里式硬度檢測均測量五次取平均值，如表1所示，焊縫部位為182 HBW，直管側(cè)熱影響區(qū)為175 HBW，直管母材為168 HBW，硬度檢測結(jié)果符合標準，鋼管母材硬度為135～195 HBW；焊縫硬度不應(yīng)低于母材硬度的90 %，不超過母材布氏硬度加100 HBW，且不超過270 HBW。根據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》、DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》、GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》等評定標準，符合標準要求。

表1 里式硬度檢測結(jié)果

五是光譜分析。經(jīng)現(xiàn)場化學(xué)成分分析，主蒸汽管道的分析結(jié)果表明該處管材及環(huán)縫化學(xué)成分符合DL/T 991—2006《電力設(shè)備金屬光譜分析技術(shù)導(dǎo)則》和DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》 關(guān)于12Cr1MoV合金鋼管各元素含量范圍的規(guī)定。

產(chǎn)生原因分析

首先，根據(jù)檢驗結(jié)果，主蒸汽管道材質(zhì)及焊縫化學(xué)成分滿足標準要求，排除用錯材料的情況。金相分析結(jié)果顯示，材料組織結(jié)構(gòu)完好，未產(chǎn)生明顯球化、老化等現(xiàn)象，母材、焊縫硬度值在正常范圍之內(nèi)。此彎頭處于大包出來后的第1個彎頭，在啟停過程和運行過程中由于熱脹冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力等原因，多次啟停，在鍋爐機組啟動過程中，主蒸汽管系從常溫達到工作溫度過程中，整個管線系統(tǒng)存在熱膨脹，造成彎頭及彎管部位內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力，在鍋爐機組停機時，冷縮等變形同樣產(chǎn)生應(yīng)力，是造成裂紋的主要原因。對于此主蒸汽管道管線向后數(shù)第2個45°彎頭來說，未發(fā)生缺陷的情況，從而表明管道受力情況、布置結(jié)構(gòu)、運行情況等降低了應(yīng)力集中情況的發(fā)生。

其次，經(jīng)現(xiàn)場查詢資料發(fā)現(xiàn)，在上次檢修期間，在此部位出現(xiàn)長8 mm、深3 mm縱向表面裂紋，經(jīng)打磨后消除，在打磨挖補位置，焊補后未進行焊后熱處理，也是造成此次缺陷的一個因素。應(yīng)該在此缺陷處打磨圓環(huán)過渡并進行無損檢測合格后處理好，管道在高溫高壓作用下彎頭處造成的應(yīng)力集中，管道、管件、保溫材料及外壓力在啟停過程中沿管壁厚度方向遞減溫度梯度，引起管頭處應(yīng)力不均勻也在一定程度上促進了裂紋的產(chǎn)生。部件長時間在高溫、高壓狀態(tài)下運行，使材料的抗疲勞能力下降，易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，從而易產(chǎn)生疲勞裂紋。

最后，如果焊縫內(nèi)存在一定數(shù)量的疏松空洞，容易產(chǎn)生金屬整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)，降低金屬的承載截面積，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。對整個結(jié)構(gòu)會造成較大危害，這些因素也會導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生。如果焊接接頭兩側(cè)母材的厚度偏差較大，焊縫表面與母材之間會形成一定角度的夾角，從而也造成結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，應(yīng)力集中產(chǎn)生。熔合線處恰恰就成為焊接接頭的薄弱地帶。該機組累計運行時間已超過13萬小時，期間啟停數(shù)次，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因素之一。

預(yù)防措施

為了預(yù)防事故發(fā)生，減少裂紋對主蒸汽管道的安全運行的影響，應(yīng)在裂紋打磨消除后制定合理的返修措施，在修復(fù)好缺陷的基礎(chǔ)上做好日常管理和維護，合理調(diào)度減少啟停頻次，在條件允許的情況下加強補償，減少缺陷處應(yīng)力集中情況的產(chǎn)生，為機組的安全運行提供保障。加強此部位的監(jiān)督檢查力度和定期維護保養(yǎng)，防患于未然。尤其是在每次的A修或B修過程中重點檢查此部位，是否已經(jīng)產(chǎn)生疲勞或者磨損減薄等問題，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即處理。

焊縫上存在缺陷是產(chǎn)生裂紋的根源。該蒸汽管道已累計運行超過13萬小時，金屬部件在高溫條件下運行會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，使材料抗疲勞能力下降，是產(chǎn)生裂紋的主要原因。合理規(guī)劃管線走向和焊接結(jié)構(gòu)，在條件允許的情況下，設(shè)計時可以考慮管線雙側(cè)布置，這樣可以在一定程度上減小應(yīng)力產(chǎn)生，有助于降低疲勞裂紋擴展的概率。

在處理缺陷時，若是輕微缺陷，應(yīng)在打磨處理完后圓滑過渡，釋放應(yīng)力。并制定修補方案和檢測工藝，嚴格進行無損檢測，滿足要求后使用。嚴重的缺陷需要挖補并按照工藝焊補后熱處理，嚴格按照相關(guān)規(guī)程要求對溫度和時間進行掌控好。