孫振西

（山東省安泰化工壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，山東濟(jì)南 250000）

電廠鍋爐產(chǎn)生的蒸汽壓力高、溫度高，而且蒸汽量巨大，因此存在較大的安全隱患。電站系統(tǒng)平時(shí)的運(yùn)行管理水平和自動(dòng)控制技術(shù)要求都較高，在停車檢維修時(shí)的機(jī)械化程度也比較高，電站鍋爐是火力發(fā)電廠中最為主要的熱力設(shè)備。電站鍋爐范圍內(nèi)的管道主要包括主給水管道、主蒸汽管道、再熱蒸汽管道等，以及第一個(gè)閥門以內(nèi)（不含閥門）的支路管道[1]。電站鍋爐一般將產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)主蒸汽管道直接輸送至汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電或送至各用戶，而對(duì)于母管制運(yùn)行的電廠鍋爐系統(tǒng)，其特點(diǎn)是一根主蒸汽母管為多臺(tái)電廠鍋爐所共用，即將電廠中幾臺(tái)鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)主蒸汽管道先輸送至一根主蒸汽母管進(jìn)行匯合后，再由該蒸汽母管輸送至各個(gè)汽輪機(jī)或送至各用汽點(diǎn)[2-3]。由于多臺(tái)電站鍋爐共用一條母管，為保證鍋爐系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的安全可靠，一般會(huì)將每臺(tái)鍋爐并入母管前的主蒸汽管道利用分段閥門與母管進(jìn)行分段隔離，分段閥門是兩個(gè)串聯(lián)的切斷閥，這樣后期檢維修閥門時(shí)較為方便，同時(shí)也能防止由于閥門內(nèi)漏造成單臺(tái)電站鍋爐的檢驗(yàn)。電站鍋爐正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，切斷閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽通過(guò)母管送至用戶。當(dāng)某臺(tái)鍋爐發(fā)生危險(xiǎn)事故或需要分段進(jìn)行檢維修時(shí)，可將兩個(gè)切斷閥關(guān)閉，使事故發(fā)生段或檢維修段處于停止?fàn)顟B(tài)，這樣既保證了需要檢修段的正常進(jìn)行又可以使相鄰的其他鍋爐仍然正常運(yùn)轉(zhuǎn)。母管制電站鍋爐安裝時(shí)管道結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，一般母管兩端通向汽機(jī)，中間接收來(lái)自鍋爐產(chǎn)生的蒸汽，經(jīng)濟(jì)效益高。然而對(duì)于母管制運(yùn)行的電站鍋爐，母管的定期檢驗(yàn)檢測(cè)或者存在問(wèn)題需要檢維修是比較困難的，需要多臺(tái)電站鍋爐同時(shí)全部停機(jī)才可以進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)，因此，存在運(yùn)行調(diào)度不夠靈活的缺點(diǎn)，如果母管上的任一閥門發(fā)生事故，與該母管相連的設(shè)備都要停止運(yùn)行，同時(shí)母管連接的所有電站鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行壓力溫度等參數(shù)要求相同。

電廠主蒸汽管道母管是連接鍋爐系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要設(shè)備樞紐，是發(fā)電廠的金屬安全監(jiān)督工作中最為關(guān)注的重要環(huán)節(jié)。母管的運(yùn)行工況同主蒸汽管道幾乎一致，因此同主蒸汽管道的選材也一致，一般為12Cr1MoV 或P91等。這種鉻鉬合金鋼雖然具有耐高溫氧化、耐球化等優(yōu)點(diǎn)，然而管道的安裝工藝要求也很高，尤其對(duì)于焊縫的焊接工藝要求極高，焊后也有較強(qiáng)的冷熱裂紋傾向，如果沒(méi)有得到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理，使裂紋形成并得以擴(kuò)展，對(duì)于人們生命財(cái)產(chǎn)安全將會(huì)構(gòu)成很大的危害。近年來(lái)，電站鍋爐范圍內(nèi)的管道事故頻繁發(fā)生，而且造成事故后果也非常嚴(yán)重，因此在2018年，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管總局發(fā)布了《市場(chǎng)監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于開(kāi)展電站鍋爐范圍內(nèi)管道隱患專項(xiàng)排查整治的通知》市監(jiān)特函〔2018〕515號(hào)文，要求對(duì)電站鍋爐范圍內(nèi)管道隱患進(jìn)行專項(xiàng)排查整治。本文結(jié)合一則某工廠高壓蒸汽母管閥門焊縫在停車定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋的案例，通過(guò)翻閱相關(guān)竣工資料及對(duì)閥門焊縫進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)理化檢驗(yàn)，對(duì)出現(xiàn)裂紋的原因及處理方法進(jìn)行了探討，并提出了預(yù)防措施。

受某化工廠委托，對(duì)其動(dòng)力車間主蒸汽母管至3#汽輪機(jī)管道進(jìn)行定期檢驗(yàn)，該管線設(shè)計(jì)壓力8.89 MPa，設(shè)計(jì)溫度510 ℃，母管材質(zhì)為12Cr1MoVG，管道規(guī)格為φ273×25 mm，于2010 年6 月投用，截至檢驗(yàn)時(shí)已運(yùn)行約8.8 萬(wàn)h，管道中閥門閥體材質(zhì)為ZG20CrMoV。

1 檢驗(yàn)情況

在重點(diǎn)檢查該管道中與閥門相連接的對(duì)接焊縫的表面缺陷時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥門南側(cè)焊縫西側(cè)存在裂紋，裂紋位置為靠近閥門側(cè)母材與焊縫交界的熔合線上，裂紋端部存在夾雜，如圖1所示。

依據(jù)市監(jiān)特函〔2018〕515號(hào)《市場(chǎng)監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于開(kāi)展電站鍋爐范圍內(nèi)管道隱患專項(xiàng)排查整治的通知》之規(guī)定，該管道屬于主蒸汽母管道，依據(jù)TSG G7002—2015 進(jìn)行全面檢驗(yàn)，按TSG G7002—2015中2.4.10（4）規(guī)定，重點(diǎn)檢查與彎頭（彎管）、三通、閥門和異徑管相連接的對(duì)接焊縫的表面及埋藏缺陷；檢測(cè)方法主要包括壁厚測(cè)定、磁粉檢測(cè)、超聲檢測(cè)、硬度檢測(cè)、光譜檢測(cè)級(jí)金相檢測(cè)；檢測(cè)儀器包括超聲波測(cè)厚儀、LKXN 磁粉檢測(cè)機(jī)、HS-600 超聲波檢測(cè)儀、MH600里氏硬度計(jì)、S1TITNA 光譜分析儀、PTI-2000金相分析儀。

2 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

2.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

通過(guò)磁粉檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)一處焊縫裂紋，焊縫裂紋位置如圖2所示，裂紋長(zhǎng)度西側(cè)1/2圈，對(duì)該焊縫進(jìn)行了射線檢測(cè)，結(jié)果顯示裂紋深度大約為3/4壁厚，且焊縫內(nèi)存在夾渣，需廠方修理消除。

圖2 焊縫裂紋所在管道中的位置

打磨焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)、母材局部位置，進(jìn)行硬度檢測(cè)，測(cè)量焊縫硬度最大值為238 HB，而GB 50683—2011《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中要求焊縫硬度小于225 HB。對(duì)管道母材及焊縫進(jìn)行金相分析，如圖3所示，管道母材金相組織為鐵素體加珠光體，球化等級(jí)為2.5級(jí)，焊縫金相組織為回火索氏體，均為正常組織。

圖3 管道及焊縫金相組織

2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

裂紋檢出后，首先檢查該管道施工的交工資料，主要包括如下。

2.2.1 材料的合格證及材質(zhì)核驗(yàn)資料

查閱管道和閥門的出廠質(zhì)量證明文件，查看其合金元素的成分是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)焊縫、管道側(cè)母材、閥門側(cè)母材的合金成分，均符合原設(shè)計(jì)要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)光譜分析，閥門及管道母材合金成分亦符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，如表1所示。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2.2.2 檢查施工過(guò)程文件

對(duì)焊接工藝評(píng)定報(bào)告、焊接記錄、無(wú)損檢測(cè)報(bào)告、焊后熱處理報(bào)告、硬度檢測(cè)報(bào)告等產(chǎn)生裂紋的焊口焊接過(guò)程記進(jìn)行了翻閱，施工過(guò)程均符合規(guī)范要求，未發(fā)現(xiàn)違反相關(guān)技術(shù)規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)要求之處。

2.2.3 擴(kuò)大檢測(cè)比例

在發(fā)現(xiàn)此處裂紋后，對(duì)該管道未檢的其余焊縫進(jìn)行了100%的MT 檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均為合格。

3 原因分析

根據(jù)裂縫的形貌特點(diǎn)并結(jié)合施工文件，對(duì)出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行分析，主要有以下幾點(diǎn)。

1）檢出的裂紋位于靠近閥體側(cè)母材與焊縫交界的熔合線上，具有冷裂紋特征，經(jīng)查閱資料所用閥門閥體材質(zhì)為ZG20CrMoV，該材料具有導(dǎo)熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，在焊接的熱循環(huán)作用下，會(huì)造成較大的殘余應(yīng)力，而且對(duì)焊接后的熱處理冷卻速度要求也較為苛刻，容易在鑄件中造成不均勻的組織和性能；在對(duì)ZG20CrMoV 和12Cr1MoV 兩種材質(zhì)進(jìn)行焊接時(shí)，在近縫區(qū)容易形成淬硬組織，而且對(duì)焊接接頭給以較高的溫度進(jìn)行回火熱處理時(shí)，焊接接頭的強(qiáng)度和塑性，以及它的組織穩(wěn)定性較難控制，因此焊縫較容易形成冷裂紋。

2）通過(guò)圖1可以看到，閥門側(cè)壁厚與鋼管側(cè)壁厚相差較大，焊縫表面與閥門母材之間形成了約90o的夾角從而造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，使該焊接接頭的熔合線處成了最薄弱的環(huán)節(jié)。

3）焊縫裂紋出現(xiàn)在該焊縫的西側(cè)1/2圈（如圖2所示），且通過(guò)圖1可看到裂紋正西偏下處裂痕較寬，因此推斷此處受到斜向上的力較大，是裂紋的起裂處。管道介質(zhì)為自西向東流向，而且閥門前彎頭個(gè)數(shù)較多，蒸汽介質(zhì)流到此處時(shí)方向改變較為頻繁，會(huì)對(duì)閥門前裂紋焊縫產(chǎn)生斜向上較大的力矩，因此長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生疲勞微裂紋，在此次管道停車過(guò)程中或因降溫速度控制不當(dāng)，微裂紋得以擴(kuò)展。由于前期廠方打算將焊口刨開(kāi)重新焊接，后期更改修理方案進(jìn)行換管時(shí)，已將初始斷口形貌破壞，因此未割管進(jìn)行焊縫斷口形貌分析。

4）焊縫內(nèi)有夾雜，使基體金屬的均勻連續(xù)性遭到破壞，基體金屬承載面積減少，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成疲裂紋勞源，運(yùn)行過(guò)程中閥門進(jìn)口管以管壁周向進(jìn)行擴(kuò)展斷裂。

4 處理方法

為了保證系統(tǒng)能夠快速投運(yùn)，起初定的方案為將存在裂紋處用氧氣乙炔火焰氣刨，然后用砂輪機(jī)打磨消除。然而在該方案實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)砂輪機(jī)打磨后的縫隙非常小，對(duì)于無(wú)損檢測(cè)確認(rèn)缺陷是否完全消除難度較大。為保證焊縫質(zhì)量，廠方?jīng)Q定對(duì)出現(xiàn)裂紋的焊縫及其南側(cè)短節(jié)切除更換。處理方案如下。

1）南側(cè)短節(jié)如果繼續(xù)使用，在第二次焊接時(shí)，母材會(huì)因二次受熱相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能有所下降，因此建議廠方使用新的相同材質(zhì)和規(guī)格的管道，并且安裝前我單位對(duì)使用的管道進(jìn)行了壁厚測(cè)定和光譜分析，均符合相應(yīng)的規(guī)定。

2）閥門和直管的連接端存在不等厚的弊端，因此對(duì)于合金鋼材質(zhì)的管道焊接時(shí)要優(yōu)先焊接這種不等厚焊口，避免使這種焊口成為安裝焊口，而導(dǎo)致在組對(duì)或焊接時(shí)形成應(yīng)力集中，造成該部位缺陷的產(chǎn)生。施工時(shí)，每個(gè)焊口組對(duì)前均將焊口、管內(nèi)表面清理干凈，每個(gè)焊口組對(duì)預(yù)制時(shí)均保證不受外力影響。焊接焊口時(shí)，根據(jù)程序文件及規(guī)范要求嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱和控制層間溫度，以防止產(chǎn)生冷裂紋傾向。

3）在氬弧焊打底手工焊蓋面焊接工序完成后，進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查合格后立即進(jìn)行焊后熱處理。依據(jù)GB/T 30583—2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》和GB/T 20801—2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》之規(guī)定，選用履帶式陶瓷電加熱器對(duì)焊縫、熱影響區(qū)及相鄰母材進(jìn)行纏繞熱處理，熱處理的加熱寬度，從焊縫中心算起，每側(cè)不小于管子壁厚的3倍，且不小于60 mm，保溫寬度，從焊縫中心算起，每側(cè)不小于管子壁厚的5倍，以減少溫度梯度，升、降溫速度按220℃/h 控制，先將溫度自由升至300℃后，以220℃/h 的升溫速率升至720℃，保溫2 h 后進(jìn)行降溫，降溫過(guò)程中，溫度在300℃以下可不再進(jìn)行控制。溫度降至100℃時(shí)，可將保溫棉、陶瓷電加熱器、熱電偶拆除。合金鋼管道熱處理后進(jìn)行硬度測(cè)試，其硬度值不超過(guò)母材硬度的布氏硬度加100，且HB 不大于270，

12Cr1MoVG 材質(zhì)的管道屬于低合金鋼，焊接容易產(chǎn)生延遲裂紋，依據(jù)GB/T 20801—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》的規(guī)定，有延遲裂紋傾向的材料焊接接頭應(yīng)在焊接完成24 h 后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

鍋爐范圍內(nèi)管道在運(yùn)行過(guò)程中一直處于高溫高壓工況，是管控的重點(diǎn)和難點(diǎn)，根據(jù)閥門焊縫裂紋形成的可能原因，為防止以后類似問(wèn)題的出現(xiàn)及管道的安全運(yùn)行，提出以下建議。

1）合理有計(jì)劃地安排焊接焊縫的順序，使類似于閥門的不等厚焊件焊縫在地面優(yōu)先預(yù)制完成，以防止管道的安裝焊口選在不等厚焊件的位置。

2）管道進(jìn)行焊接時(shí)避免錯(cuò)口受力造成焊縫裂紋，因此采取有效措施以保證焊口組對(duì)時(shí)不受外力影響，并且嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，避免應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)不連續(xù)。

3）為了減少和避免裂紋的產(chǎn)生，低合金鋼材料一般要求進(jìn)行有效的焊前預(yù)熱和焊后熱處理。管道施焊前，應(yīng)根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告（或已通過(guò)技術(shù)評(píng)審的預(yù)焊接工藝規(guī)程）編制焊接工藝規(guī)程，用于指導(dǎo)焊工施焊和焊后熱處理工作，選用符合設(shè)計(jì)文件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的焊接材料，并對(duì)焊材烘干。坡口制備完成后對(duì)焊件嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)熱，焊接時(shí)控制好每層焊道間的溫度，焊后立即進(jìn)行熱處理。

4）定期檢維修時(shí)，對(duì)于電廠主蒸汽管道及母管，使用單位應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行開(kāi)停車的工藝要求，嚴(yán)禁通過(guò)通儀表風(fēng)等方法快速降溫；對(duì)鍋爐范圍內(nèi)管道采用高溫測(cè)厚儀定時(shí)定點(diǎn)測(cè)厚，以確定該管道的年腐蝕速率。另外進(jìn)行不固定點(diǎn)測(cè)厚，及時(shí)摸排管道中每處管件的腐蝕情況，以便做好管道的整體腐蝕和局部腐蝕相關(guān)資料的收集和整理匯總工作。

5）合理制定管道的吹掃計(jì)劃，及時(shí)清除管道內(nèi)的雜質(zhì)，做好管道上的附屬裝置如管道支吊架、蠕脹測(cè)點(diǎn)等的定期維護(hù)保養(yǎng)工作。

6）根據(jù)定期檢驗(yàn)結(jié)果及管道運(yùn)行時(shí)間，合理確定定檢周期。定檢時(shí)應(yīng)制定詳細(xì)的檢驗(yàn)方案，而且需要進(jìn)行蠕脹、硬度和金相等項(xiàng)目的檢測(cè)，關(guān)注硬度值的變化及金相組織球化狀態(tài)，做好記錄，并定期進(jìn)行前后兩次的數(shù)據(jù)對(duì)比工作，對(duì)于球化等級(jí)比較嚴(yán)重且硬度值降低比較明顯的管道，必要時(shí)可進(jìn)行割段力學(xué)性能分析，確保鍋爐范圍內(nèi)管道安全長(zhǎng)周期運(yùn)行。