火電機(jī)組四大管道溫度計(jì)套管改造

陳 龍

（甘肅大唐國際連城發(fā)電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730332)

火電機(jī)組四大管道溫度計(jì)套管改造

陳 龍

（甘肅大唐國際連城發(fā)電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730332)

結(jié)合某發(fā)電公司在役機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，分析了主蒸汽管道系統(tǒng)多次發(fā)生溫度計(jì)套管焊縫爆漏事故的原因，從材料配套選擇、焊接方法等方面入手，對(duì)該公司機(jī)組四大管道溫度計(jì)套管進(jìn)行了改造，為機(jī)組的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

溫度計(jì)套管；管座；焊接；改造

1 機(jī)組設(shè)備概述

某公司3號(hào)機(jī)組為330 MW燃煤機(jī)組，采用哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的N300-16.7/538/538型亞臨界一次中間再熱、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，與東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的DG-1025/18.2-Ⅱ13型亞臨界自然循環(huán)鍋爐，以及哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的QFSN-300-2型汽輪發(fā)電機(jī)。

該鍋爐主蒸汽溫度541 ℃、壓力17.35 MPa、管道材質(zhì)P91；再熱熱段蒸汽溫度541 ℃、壓力3.74 MPa、管道材質(zhì)P22；再熱冷段蒸汽溫度325.7 ℃、壓力3.92 MPa、管道材質(zhì)A672B70CL32；給水溫度280.9 ℃、給水壓力23.556 MPa、管道材質(zhì)15NiCuMoNb5。部缺陷進(jìn)行有效的檢驗(yàn)；

(3) 機(jī)組運(yùn)行過程中，管道熱位移及振動(dòng)容易導(dǎo)致焊口金屬疲勞和破壞。

圖1 典型插接式結(jié)構(gòu)

2 溫度計(jì)套管存在的問題

機(jī)組主蒸汽母管材質(zhì)為P91，溫度計(jì)套管材質(zhì)為TP316H，原始設(shè)計(jì)圖紙上在主蒸汽母管上焊接有12Cr1MoV的管座，但是在基建安裝時(shí)，安裝公司未按照?qǐng)D紙安裝12Cr1MoV的管座，導(dǎo)致溫度計(jì)套管在安裝和材料使用上都存在一定的問題。

2.1 安裝上存在的問題

原有溫度計(jì)管座的典型插接式結(jié)構(gòu)如圖1所示，此種結(jié)構(gòu)在安裝上存在以下問題：

(1) 插接式焊口本身屬于未焊透結(jié)構(gòu)，存在有較大的應(yīng)力集中；

(2) 此類焊口無法用常規(guī)無損探傷方法對(duì)其內(nèi)

2.2 材料使用上存在的問題

焊縫兩邊母材熱膨脹系數(shù)相差較大，容易產(chǎn)生以下的問題：在機(jī)組啟停、運(yùn)行中焊縫內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，易造成異種鋼焊縫產(chǎn)生疲勞開裂；如果焊縫內(nèi)部還存在裂紋、未焊透等漏檢缺陷時(shí)，則疊加損壞效應(yīng)會(huì)非常明顯，短期內(nèi)就可能導(dǎo)致焊縫開裂失效。

3 溫度計(jì)套管失效的原因

3.1 套管與母管熱膨脹系數(shù)的差異

套管材質(zhì)為TP316H，與母管焊接屬于異種鋼焊接，金屬組織和機(jī)械性能相差較大，熱膨脹系數(shù)相差較大，異種鋼接頭在運(yùn)行中產(chǎn)生附加應(yīng)力，這種應(yīng)力在焊縫界面處因蠕變變形和蠕變損傷而釋放。在機(jī)組啟停溫度變化的循環(huán)條件下，應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致連續(xù)的蠕變損傷，進(jìn)而使接頭失效。

3.2 碳的遷移

如主汽溫度計(jì)套管TP316H和母管P91焊接屬于異種鋼焊接，這2種鋼材的化學(xué)成分不同，會(huì)發(fā)生合金元素的再分配問題。特別是碳會(huì)從含碳量高的P91一側(cè)向含碳量低的TP316H一側(cè)遷移，在熔合線P91側(cè)出現(xiàn)脫碳區(qū)，在TP316H側(cè)出現(xiàn)增碳區(qū)，使鋼的蠕變強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致破壞。

3.3 焊材選用不當(dāng)

DL/T869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》及DL/T752—2010《火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程》均建議，對(duì)于溫度大于425 ℃奧氏體類異種鋼焊接，宜選用鎳基焊絲或焊條。如果焊條選用不當(dāng)，會(huì)使接頭因焊接不牢而破壞。

3.4 溫度計(jì)套管插入深度超標(biāo)

溫度計(jì)套管插入深度不符合規(guī)程，也是焊縫失效的重要因素。DL/T5190.5—2004《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》第5部分(熱工自動(dòng)化)中，對(duì)溫度計(jì)套管插入深度有如下規(guī)定：“高溫高壓(主)蒸汽管道的公稱通徑不大于250 mm時(shí)，插入深度宜為70 mm；公稱通徑大于250 mm時(shí)，插入深度宜為100 mm?！辈迦肷疃冗^長(zhǎng)，會(huì)使套管受蒸汽沖刷的力臂增長(zhǎng)，從而增大焊縫的彎曲應(yīng)力。

3.5 熱電偶安裝的坡口型式不合理

熱電偶插件的焊接結(jié)構(gòu)型式?jīng)]有保證根部焊透的必要平臺(tái)，焊縫根部不易焊透，這也是造成焊接質(zhì)量不符合要求的重要原因。

3.6 角焊縫與母管坡口處未熔合

角焊縫的未熔合缺陷，主要是由于設(shè)計(jì)的坡口角度較小，僅30°～35°(如圖2所示，其中黑色部分為角焊縫)，且為單側(cè)坡口，焊條不易擺動(dòng)。此外，施焊過程中未嚴(yán)格按照焊接工藝操作、預(yù)熱溫度不合規(guī)程要求、焊工操作水平低、焊接過程中不注意清渣等，也是導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生的可能原因。

4 溫度計(jì)套管的改進(jìn)方法

增加溫度計(jì)管座，將溫度計(jì)套管插接式焊接角焊縫由管座處移至管座上部，在溫度計(jì)套管更換時(shí)，切割、打磨、焊接及熱處理均在此處進(jìn)行，避免了頻繁在母管處進(jìn)行焊接熱處理對(duì)主蒸汽母管可能造成的二次累積損傷。這既減少了工作強(qiáng)度，也減小了工作難度，更杜絕了母管管孔產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)后的焊接方式如圖3所示。

圖2 角焊縫焊接示意

圖3 改進(jìn)后的焊接方式

管座與母管間角焊縫為全焊透結(jié)構(gòu)，使得焊縫焊接質(zhì)量大大提高。焊接溫度計(jì)管插座時(shí)，應(yīng)該按照以下步驟進(jìn)行：

(1) 先進(jìn)行管座與母管的焊接及熱處理；

(2) 待焊接熱處理檢驗(yàn)合格后對(duì)管座內(nèi)壁進(jìn)行鉸刀修孔處理，使管座內(nèi)徑與母管孔徑相同且同心，徹底消除管座根部尖角處焊縫易產(chǎn)生未焊透、裂紋未熔合等缺陷；

(3) 進(jìn)行管座與套管之間的焊接，因?yàn)樵摵缚诓挥脽崽幚?，?shí)施起來比較方便。

4.1 管座規(guī)格的選取與壁厚校核

溫度計(jì)套管外部加的管座與溫度計(jì)套管、母管選同材質(zhì)或相近材質(zhì)，管座規(guī)格按照《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計(jì)》選取，并依據(jù)GB/T9222—2008《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》進(jìn)行了壁厚校核，校核過程如下。

管座材質(zhì)：12Cr1MoVG；溫度計(jì)套管材質(zhì)：不銹鋼TP316H；管座規(guī)格：Ф60×10 mm；高度：100 mm。

計(jì)算過程：設(shè)管壁厚度為X，管座內(nèi)徑與主管開孔相等，孔徑為40 mm，溫度選540 ℃，壓力選16.7 MPa，許用應(yīng)力選71 MPa，計(jì)算得X為5.4 mm。選取腐蝕減薄C1為0.5 mm，選取加工減薄C3為0.5 mm，則選取最小壁厚為6.4 mm。為了安全起見，最后加工壁厚選取為10 mm。

4.2 套管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

將套管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部改進(jìn)。原結(jié)構(gòu)中套管從焊縫連接部位開始變徑，改進(jìn)后的套管與母管相貼合的部位是等徑的，穿過母管內(nèi)壁孔后才開始變徑，如圖4 a，b所示。改進(jìn)結(jié)構(gòu)減少了套管在機(jī)組啟停和復(fù)雜工況時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，一定程度上避免了套管斷裂事故的發(fā)生。

4.3 焊接及熱處理工藝要點(diǎn)

管座焊接采用氬弧打底手工蓋面焊接，先點(diǎn)焊3點(diǎn)用于固定管座，相鄰焊點(diǎn)之間的夾角均為120°。點(diǎn)焊時(shí)的焊接材料、焊接工藝和預(yù)熱溫度均應(yīng)與正式焊接相同。點(diǎn)固后要認(rèn)真檢查每個(gè)焊點(diǎn)的質(zhì)量，如有缺陷應(yīng)立即消除，重新點(diǎn)固。

管座焊前、焊后熱處理使用遠(yuǎn)紅外電加熱。如P91材質(zhì)焊前預(yù)熱溫度為100～150 ℃，焊絲選用Φ2.5，鎢極為Φ2.5，氬氣流量為10～15 L/ min；焊接電弧電壓為10～14 V，焊接電流為80～110 A，焊接速度為55～60 mm/min。氬弧焊打底的焊層厚度控制在2.8～3.2 mm范圍內(nèi)。層間溫度200～300 ℃，焊后熱處理加熱溫度為(760±10)℃。焊后熱處理的升、降溫速度不大于150 ℃/h，當(dāng)降溫至300 ℃以下時(shí)，可不對(duì)溫度升降速度進(jìn)行控制，在保溫層內(nèi)冷卻至室溫。P91材質(zhì)焊接熱處理工藝熱循環(huán)如圖5所示。

相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖4 套管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

圖5 P91材質(zhì)焊接熱處理工藝熱循環(huán)

5 溫度計(jì)套管改造后的經(jīng)濟(jì)效益

四大管道上的溫度計(jì)套管按單次泄漏停機(jī)搶修10天，平均負(fù)荷每天260 MW計(jì)算，直接電量損失為：260×10×24=62 400 MW=62 400 000 kWh。

1 kWh按照0.02元利潤(rùn)計(jì)算，利潤(rùn)損失為：62 400 000×0.02=124.8萬元。共計(jì)損失=利潤(rùn)損失+搶修施工費(fèi)+材料費(fèi)+檢驗(yàn)費(fèi)+單次點(diǎn)爐費(fèi)=124.8+6+0.5+1+100=232.3萬元。而改造1個(gè)套管的費(fèi)用為：料費(fèi)0.5萬元，施工費(fèi)3.5萬元，檢驗(yàn)費(fèi)0.5萬元；共計(jì)0.5+3.5+0.5=4.5萬元。通過對(duì)比可以看出，投入和產(chǎn)出比很高。

從材料選用，安裝、焊接方案入手，對(duì)3號(hào)機(jī)組四大管道溫度套管進(jìn)行了改造，為機(jī)組的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)在建同類型機(jī)組具有良好的借鑒作用。

表1 各主管材質(zhì)焊接熱處理工藝參數(shù)

1 牛林興．超臨界機(jī)組P91主蒸汽管道溫度計(jì)套管焊接改造[J]．陜西電力，2012(8).

2 霍更國．600 MW主蒸汽管道溫度套管漏泄的原因分析及處理方法[J]．中國材料科技與設(shè)備，2011(4).

2014-12-10。

陳 龍(1986-)，男，助理工程師，主要從事300 MW火電機(jī)組的金屬監(jiān)督工作，email：weisierhuo@126.com。