高压加热器给水管道爆裂原因分析及对策

陆春燕 肖向虹

攀钢集团钢铁钒钛股份有限公司发电厂 四川攀枝花市

攀钢发电厂3#机组为100MW机组，配备2台高压加热器（简称高加），为立式串联布置，疏水逐级自流，水位采用自动调节。2012年3月，3-2#高压加热器给水管道进水弯管于机组开启过程中发生爆裂。该弯管设计为Φ273mm×22.2mm的90°热压弯头无缝钢管，材料st45.8Ⅲ（20G）。机组开机时，最高工作压力17.81MPa，机组带10万kW·h负荷时管道工作压力为15～16.5MPa，温度达195℃左右。爆管当日机组带4万kW·h负荷，给水母管道压力为16.78MPa，温度在90℃左右。该管道累计运行已达102 496h。

一、宏观检验

爆裂发生在弯管段，爆开的残片已脱离管体并坠地。图1为炸开的弯头部位，基本上沿弯曲点分离，但没有超过弯曲切线点。裂口距上端焊缝400mm，距下端焊缝100mm。裂口长460mm，宽300mm。宏观断口上显示两个断裂源：一处在右边断口中部的缺口区，管壁厚度已减薄到12mm；另一处在左边断口中部，长70mm，深11mm的疲劳裂纹，但管壁无明显减薄（图2）。图3显示左边断口外貌及断裂源，疲劳裂纹起于钢管外表面。上边断口管壁几乎未减薄。图4为下边断口外貌，断口边缘显示多条原始裂纹。

对弯管进行外径和厚度检测，发现弯管最大直径278mm，最大壁厚21mm、最小壁厚19mm，管壁厚度不均匀。与设计值相比（设计值Φ73mm×22.2mm）外径相差5mm，壁厚小于设计要求。

图1 炸裂的弯道外貌

二、化学成分分析

在钢管直管段切取试样，用直读光谱仪检验爆管的化学成分，结果见表1。爆管的化学成分符合GB/T 5310-1999高压用无缝钢管标准中对st45.8Ⅲ（20G）钢的技术要求，但含有其他元素，如：Ali-0.035 Mo-0.0048，Al-0.0148，Alsol-0.0119，Sb-0.039 Sn-0.083，As-0.035。

三、金相检验

1.低倍检验

直管段部分紧挨焊缝切取的横截面钢管，磨平、热盐酸水溶液浸蚀后的低倍组织形态见图5。可见原始钢管不圆，且厚度不均，测量最大直径约为277mm，最小直径约为270mm；最厚处壁厚约24mm，最薄处约17mm。通过断裂源切取的环状试样，仍然显示管壁厚度不均匀（图6）。

图2 东边断口外貌及断裂源（缺口处）

图3 西边断口外貌及断裂源

图4 南边断口外貌，断口边缘显示多条裂纹

表1 钢管的化学成分 （%）

原始钢管失圆且壁厚不均匀，是在弯管时可能由于内部支撑不足，或120°弧面加热控制不良，致使弯管变薄加剧。注意到严重变薄发生在弯管东侧，并非于钢管弯头外弧侧，足证加热部位及弯曲方向发生偏差。

2.显微组织分析

图5 紧挨焊缝切取的横向磨片的低倍组织图

分别直管段紧挨焊缝处及两个断裂源区切取试样，于抛光态检验出严重的集中夹杂（图7）。浸蚀后的试样，直管段的组织为晶粒细小的铁素体+珠光体，属无缝钢管热轧态组织。弯管断裂源区组织（铁素体+珠光体）较前者粗大，有所变形（图8）。弯管断裂源区组织（铁素体+珠光体），亦较粗大（图9）。

图6 通过断裂源切取的半环状试片

图7 所取试样抛光态下的夹杂形态

图8 东边断裂源区组织

钢管中出现集中夹杂说明材料存在一定的脆性。弯头的组织粗于直管段，则推测弯管弯制时加热温度过高，且弯制后管道又没经热处理工序去细化组织。

3.断口分析

（1）体视显7镜断口观察。断口及断裂源区显示结晶状脆断特征（图10），图11为断口裂纹源区的形貌，其斜向观察见图12。由图12可见断裂起源于皮下大夹杂。

图9 西边断裂源区组织

图10 西边断口裂纹源的形貌

图11 东边断口裂纹源形态

图12 东边断口断裂起源于次表面夹杂

（2）扫描电镜断口观察。断口裂纹源区观察到密集夹杂（图13及表2），其裂纹扩展区显示拉长的韧窝（图14）。断口裂纹源区的断口形貌见图13，于低倍率下可见大量夹杂，裂纹扩展区断口形貌为穿晶解理和韧窝混合，且有大量夹杂（图14）。说明材料存在脆断特征。

表2 断口裂纹源区的SEM形态中元素含量

图13 断口裂纹源区的SEM形态（白亮点为夹杂）

图14 断口显示拉长的韧窝

图15 断口疲劳源区的断口形貌

图16 裂纹扩展区（其间有大量夹杂）

四、运行操作及其他检查

3-2#高加给水管弯头爆管当日，因锅炉故障，汽轮机打闸停机，此时高加保护动作，高加给水进口门自动关闭。在机组负荷恢复时，操作人员在高加水侧没有正常投入前，错误先投入高加汽侧，50s后开启高加电动门组投入给水，随即给水管弯头爆裂。此过程中1#高加出水温度一直维持在90℃左右。

对高加给其他水进出口弯管、直管及焊缝进行了外观、磁粉及超声波检测，发现高加给水进出口弯管中有两个弯管背弧面分别有一条表面裂纹，长41mm，经打磨后缺陷消除；另有一弯管最大壁厚21mm、最小壁厚19mm，管壁厚度不均匀，最小壁厚小于设计要求；其余弯管及直管未见明显缺陷。

高加给水弯管爆裂处是在水平管段延伸位置，此处长期受管内给水的冲击。1#高加至2#高加之间8m长的给水管道有6个弯头，直管道短，应力集中在弯头处。

五、综合分析及处理对策

1.综合分析

爆裂的弯管存在原始材料缺陷及弯管加工缺陷。一方面该弯管属疲劳开裂，疲劳源在东西两侧，皆起源于材料缺陷，即弯管中含有大量非金属夹杂，断裂起源于皮下大夹杂，其断口穿晶解理且其间混有浅的韧窝形貌，说明材料已有明显的脆化特征。另一方面弯管存在制造质量缺陷。首先，原始钢管失圆且壁厚不均匀，在弯管时可能由于内部支撑不足，或120°弧面加热控制不良，致使弯管变薄加剧。其次，检验中发现钢管弯头的组织粗于直管段，出现闪烁状结晶状断口及穿晶解理断口形貌。可能钢管在弯制时加热温度过高，弯制后又没经热处理细化组织，发生应变的弯管，由于未经退火或正火热处理，使用温度受热加速了应变时效的脆化过程。

高加给水管道本体结构设计不合理，1#高加至2#高加之间8m长的给水管道有6个弯头，因受空间的限制，直管道短，柔性弱，不利于弯管应力的释放，应力集中在弯头处。

因停机后的每次开启，在内压的作用下，于缺陷根部受到拉应力而萌生疲劳裂纹，加上系统的振动，使疲劳裂纹扩展。本次管道爆裂是在锅炉故障打闸停机后，系统重新开启过程中发生的，由于操作不当将高加汽侧先于水侧投入运行，随后立刻通过给泵投入给水，此时，高加给水弯管受管内给水冲击力的作用，疲劳裂纹加速扩展，当裂纹扩展到不能承受内压时便发生了炸管。由于材料已经脆化，裂口没有大面积屈服或鼓胀效应，不是以液体泄漏方式松弛应力，而是以脆断释放能量，因此整块脆裂飞离管体。

2.处理对策

根据分析结论，发电厂拟定对同一时期、同批次进厂的8个相同材料和规格的给水管道弯头进行更换处理。特别制定弯管备件制作的技术条件，要求弯管制造、安装和验收按《电力建设施工及验收技术规范》（管道篇）、GB 5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》、DL/T 515-2004《电站弯管》、DL/T 438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》等规程进行制造和验收。

在备件制造过程中，派驻专业人员对备件的材质、机械性能、制造工艺、检测化验等进行全过程监督。确保备件材料、弯制、热处理、各项检验等符合技术要求、标准和规范，避免上述类似缺陷的产生。

在检修过程中，及时调整给水管道支吊架。减少因的支撑吊架的松动、管道振动等造成弯道弯头及焊缝应力集中的现象。并利用3#机组小修机会，对3-1#至3-2#高加之间的给水管道及自动旁路管道进行更换，包括Φ273mm×24mm直管12.3m、Φ273mm×24mm 90°弯头 6 个、Φ133mm×12mm 直管 16m、Φ133mm×12mm 90°弯头 12个；Φ28mm×2.5mm 排气、放水管各3根。

在焊接过程中，重视焊接质量的把控。请教攀研院焊接专家，制定严密的焊接施工方案，安排具有资格和焊接经验丰富的焊接人员，严格按施工方案进行施工。并对3#机高加给水管道施工的所有焊口进行100%的无损探伤检验，直至焊缝质量检验合格。

在运行中，强调高加在投运或停运过程中的操作规范，即延长高加投运前的暖管时间、控制投运过程中温升和停运时的降温速度、控制好高加水侧压力，同时注意投汽、水侧的顺序等。

另外，利用机组大小修机会，加强对该弯头进行不定期检验，尽早发现问题，排除再次发生爆管的可能。

六、结束语

通过对3#高加给水管道弯头爆裂的原因分析，采取了相应的对策和措施，并进行有效的实施，保证了电厂高加给水管的安全运行。该机组运行至今，3#高加给水管道运行正常，没有发生泄漏和爆裂等事故。