汽輪機(jī)主蒸汽管道溫度保護(hù)套管裂紋處理方法研究

吳廣仁 袁曉君 梁軍智 戴興東 張磊

摘 要：汽輪機(jī)主蒸汽管道溫度保護(hù)套管安裝涉及異種鋼的焊接工藝，若焊接工藝不合理，在長時間運(yùn)行后會因?yàn)榻蛔儜?yīng)力造成疲勞斷裂問題。本文針對某機(jī)組主蒸汽溫度套管裂紋問題展開分析，探討了造成套管裂紋的主要原因：異種鋼焊接、選材及工藝執(zhí)行不當(dāng)，使得保護(hù)套管經(jīng)歷長周期運(yùn)行后產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)張。根據(jù)上述分析，組織編制焊接修復(fù)工藝并格執(zhí)行各項工藝措施。分析結(jié)果表明，該方法在優(yōu)化施工工藝的同時保證了焊接位置的材料特性，為同類型異種鋼焊接管座隱患排查及處理提供了可借鑒的方案。

關(guān)鍵詞：保護(hù)套管 異種鋼 焊接裂紋 主汽管道

Abstract： The install processing of the temperature protection casing on the main steam pipe of steam turbine involves the welding process of dissimilar steel. If the welding process is not reasonable， the fatigue fracture problem will be caused by alternating stress after a long operation time. In this paper， the crack problem of main steam temperature casing of a unit is analyzed， as well as the main reasons for the cracks in the casing： Dissimilar steel welding， material selection and process execution make the protective casing crack and expand after long-term operation. According to the above analysis， organize the preparation of welding repair process and implement various process measures. The analysis results show that this method not only optimizes the construction process， but also ensures the material characteristics of the welding position， which provides a reference scheme for the troubleshooting and treatment of hidden dangers of welded pipe sockets of the same type of dissimilar steel.

Key Words： Protection casing; Dissimilar steel; Weld crack; Pipe of main steam

電力生產(chǎn)過程中，依賴眾多的測點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并用于指導(dǎo)整個生產(chǎn)過程的安全平穩(wěn)運(yùn)行[1-3]。以汽輪機(jī)為例，溫度、壓力、振動等參數(shù)依靠傳感器獲取相關(guān)信息。因此，針對各重要參數(shù)的測量方法、安裝工藝得到了廣泛關(guān)注。以汽輪機(jī)主蒸汽管道溫度測點(diǎn)為例，若要測量管道內(nèi)蒸汽溫度，需要將傳感器伸入到管道內(nèi)部且焊接到管道壁面上，并保證焊接位置的封閉性，這就需要相應(yīng)的安裝工藝保證高溫高壓的蒸汽不能從測點(diǎn)位置泄露造成安全事故[4-6]。而整個過程涉及材料、焊接、結(jié)構(gòu)等多個領(lǐng)域，需要從多個方面展開研究分析[7，8]。有研究[9]利用試驗(yàn)方法對P91鋼在蠕變和疲勞相互作用下的斷裂特性進(jìn)行研究，指出應(yīng)力幅與平均應(yīng)力的關(guān)系直接反映了斷裂處的主要因素。余文斌等[10]分析了蒸汽管道熱電偶保護(hù)套管裂紋問題，并給出了修復(fù)方法和具體的施工方案。許江曉等[11]則詳細(xì)論證了修復(fù)工藝，例如對焊條型號、焊接工藝等施工工藝進(jìn)行優(yōu)化。邵平[12]則從管套斷裂故障入手，采用金相分析等方法論述了造成斷裂的主要原因，并對后期修復(fù)過程中的溫度套管選型工作進(jìn)行了詳細(xì)的分析與論證。李鵬剛等[13]采用有限元方法分析了溫度管套斷裂失效原因，結(jié)果表明交變應(yīng)力是造成疲勞斷裂的主要因素。江銀等[14]詳細(xì)介紹了熱電偶套管的強(qiáng)度校核計算方法。綜合上述研究可以看出，針對主蒸汽溫度套管的安裝工藝已相當(dāng)成熟，但如何在保證安裝要求的同時進(jìn)一步優(yōu)化安裝工藝，縮短安裝時間仍值得進(jìn)一步研究。

本文介紹了一起鍋爐主蒸汽管道溫度套管裂紋挖除更換焊接修復(fù)案例。分析認(rèn)為，原焊縫屬于異種鋼焊接，選材及工藝執(zhí)行不當(dāng)，經(jīng)歷10余年長周期運(yùn)行，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)張。在機(jī)組C級檢修中排查發(fā)現(xiàn)重大隱患，及時組織編制焊接修復(fù)工藝，嚴(yán)格執(zhí)行各項工藝措施，焊后檢驗(yàn)合格，避免了爐外管爆裂事故，有力保障了機(jī)組安全運(yùn)行。

1裂紋問題排查及原因分析

某廠330MW燃煤發(fā)電機(jī)組運(yùn)行已超過10年。2021年#1機(jī)組計劃性檢修過程中，安排排查主蒸汽管、再熱蒸汽管道溫度及壓力測量套管隱患。經(jīng)過排查，主蒸汽母管14m標(biāo)高1處、9.66m標(biāo)高3處共計4處溫度計套管角焊縫發(fā)現(xiàn)裂紋，主蒸汽管道規(guī)格為ID368×41mm，材質(zhì)為SA335-P91，屬于馬氏體耐熱鋼，溫度套管規(guī)格為?38，材質(zhì)為0Cr18Ni12Mo2Ti，屬于奧氏體不銹鋼。SA335-P91是美國ASTMA335/A335M標(biāo)準(zhǔn)中的牌號，對應(yīng)國標(biāo)中的10Cr9Mo1VNbN。分析認(rèn)為：主蒸汽管溫度套管裂紋主因是馬氏體耐熱鋼SA335-P91與奧氏體不銹鋼0Cr18Ni12Mo2Ti異種鋼焊接工藝不當(dāng)，產(chǎn)生早期失效，在長期沖刷震動中產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展。此次排查的4個主蒸汽熱電偶管座異種鋼溫度套管，都不同程度產(chǎn)生了裂紋缺陷。

1.1主蒸汽管道熱電偶管座裂紋缺陷

4月22日在對機(jī)爐外管管座的檢測中發(fā)現(xiàn)：編號為#1主蒸汽熱電偶管座角焊縫熔合線存在1處長為50mm裂紋缺陷磁痕顯示;編號為#2主蒸汽管座角焊縫熔合線存在1處長為70mm裂紋缺陷磁痕顯示;編號為#3主蒸汽熱電偶管座角焊縫熔合線存在2處分別長為100mm、90mm裂紋缺陷磁痕顯示，見圖1至圖4;主蒸汽母管溫度測點(diǎn)焊縫熔合線存在一處長20mm裂紋磁痕顯示，見圖5。以上缺陷均不符合《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（JB/T 4730.5-2005）[15]中 8.2.1條“不允許任何裂紋”的要求。

2修復(fù)方案

更換的難點(diǎn)是挖除舊套管、焊接及熱處理。

2.1舊套管挖除

挖除舊套管時，首先觀察裂紋走向，都是沿原始角焊縫融合線處開裂，首先要了解原始套管焊接結(jié)構(gòu)，已確定原始角焊縫深度、坡口形式。

原始套管焊接示意圖如圖6所示。隨后用角磨機(jī)沿原始角焊縫融合線旋轉(zhuǎn)挖掏，掏挖過程中，要注意挖掏角度，盡量小地掏挖母材，如果角磨機(jī)旋轉(zhuǎn)受限，要及時切換工具，深度部位采用內(nèi)磨機(jī)鋼磨頭挖掏。挖掏時緊靠溫度計套管外壁向下，注意不要切斷溫度計套管。在挖掏至母管厚度底部5mm附近時，要將洼窩內(nèi)雜物、鐵屑清理干凈，注意觀察，發(fā)現(xiàn)有環(huán)狀裂紋應(yīng)及時停止掏挖，使用手錘輕輕敲打套管，嘗試拔起套管，如不能拔出，用鋼磨頭繼續(xù)掏挖，直至能將舊套管拔起。將套管拔出后，立即用長600mm、?38木棒將孔洞封閉，防止異物掉入管內(nèi)。

最后，依據(jù)原角焊縫的坡口形式圖，對焊縫坡口進(jìn)行打磨修整。采用宏觀金相及磁粉檢測，以確定將原始角焊縫的不銹鋼材質(zhì)“焊肉”徹底清除干凈。

2.2焊接技術(shù)措施

2.2.1焊接材料

本次焊接材料具體參數(shù)如下所示： 主蒸汽母管管段（ID368*41? SA335-P91）;主汽溫度計套管（?38? SA335-P91）;焊絲ER90S-B9;焊條E9015-B9。

2.2.2焊接方式

本次焊接過程選擇手工鎢極氬弧焊、手工電弧焊等焊接方法，氬弧焊具體參數(shù)設(shè)置如下。

（1）預(yù)熱溫度150～200℃。

（2）氬弧焊焊絲規(guī)格?2.4mm、焊接電流控制在95～105A之間、電弧電壓 10～12V、焊接速度4.2～5.7cm/min。

（3）氬弧焊接1層（2層），厚度控制在2.4～3mm之間，層間溫度控制在200～250℃之間。

電弧焊具體參數(shù)設(shè)置如下。

（1）預(yù)熱溫度200～250℃。

（2）電弧焊焊條規(guī)格?3.2mm、焊接電流控制在115～125A之間、電弧電壓20～24V、焊接速度8～11cm/min。

（3）嚴(yán)格控制層間溫度，200～250℃。

（4）多層多道焊接頭應(yīng)錯開10～15mm，嚴(yán)禁同時在一處收弧。

2.2.3焊接注意事項

在焊接新套管時，首先檢查管道內(nèi)，確認(rèn)無異物掉入，采用吸塵器將管道內(nèi)的灰塵，細(xì)屑吸除干凈，插入新套管。焊接前，要求焊工應(yīng)按DL/T679、TSG Z6002進(jìn)行培訓(xùn)考核，并持有相應(yīng)資質(zhì)的焊工擔(dān)任。焊接熱處理人員和焊接檢驗(yàn)檢測人員應(yīng)取得相應(yīng)的資格證書;對新套管及使用的焊材，進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查、進(jìn)行光譜檢驗(yàn)材質(zhì)復(fù)核。施工過程中嚴(yán)禁更改焊接工藝參數(shù)及焊接材料。

2.3焊接熱處理[邢1]

在焊接完成后，為保證馬氏體完全轉(zhuǎn)變，需冷卻到100℃，保溫不小于1h后立即進(jìn)行回火熱處理。熱處理過程中采用增加外壁保溫寬度辦法，以提高熱處理過程中的內(nèi)壁溫度，盡量減少內(nèi)、外壁溫差[16]。對溫度控制和記錄儀表、補(bǔ)償導(dǎo)線，熱電偶等經(jīng)過校驗(yàn)并標(biāo)出系統(tǒng)誤差值，在設(shè)定溫度時扣除相應(yīng)的數(shù)值。焊前根據(jù)實(shí)測溫度的修正值對打點(diǎn)機(jī)顯示的溫度值應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，采取各種措施減小設(shè)備系統(tǒng)誤差。焊后熱處理恒溫溫度：760℃×4h。焊后熱處理采用柔性陶瓷電阻加熱方式。熱處理前，對管段進(jìn)行必要的支撐加固。

3修復(fù)檢驗(yàn)

焊接質(zhì)量檢查，包括外觀檢查、接頭檢查等，焊縫外觀不合格，不允許進(jìn)行其他項目檢驗(yàn)。焊接接頭經(jīng)外觀檢查合格方可進(jìn)接熱處理，熱處理后進(jìn)行無損檢驗(yàn)。

4.結(jié)語

本文對某機(jī)組主汽管道溫度套管異種鋼焊接產(chǎn)生的裂紋事故進(jìn)行分析，并制定了相應(yīng)的修復(fù)措施，得出如下結(jié)論。

第一，采取相同材質(zhì)，降低了焊接難度，化解異種鋼焊接因施工工藝不當(dāng)產(chǎn)生缺陷風(fēng)險。

第二，全程嚴(yán)格監(jiān)督執(zhí)行焊接工藝措施，為一次成功奠定了基礎(chǔ)。

新更換套管均滿足安全要求，為今后類似隱患排查及消除提供了可以借鑒的成功案例，值得推廣。

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作者簡介：吳廣仁（1968—），男，本科，高級工程師，主要從事火電機(jī)組生產(chǎn)管理工作。

袁曉君（1981—），男，本科，工程師，主要從事火電機(jī)組生產(chǎn)管理工作。