火力发电厂几种高温承压金属部件损伤分析及处理

吉建兵

(辽宁东方发电有限公司，辽宁 抚顺 113007)

火力发电厂高温、承压汽水系统上的部件由于结构不连续、介质参数变化和运行时间增加等原因会产生热疲劳损伤等，尤其高温金属部件偏离设计工况下运行时损伤更为严重。其中，蒸汽管道和联箱上的各类导出、引入管的母材、角焊缝及管道或联箱开孔附近母材常产生热疲劳裂纹，随着机组运行时间的延长可能导致部件泄漏而发生机组非计划停机。尤其服役10万h以上的机组，相关部件由于热疲劳损伤的积累，开始出现蠕变裂纹，积累到一定程度会导致部件失效。新机组的高温承压金属部件一般因为高温高压部件结构不合理和错用材质而导致失效。

为避免或减少这种损坏导致的机组非停，把几次高温承压金属部件发生损坏的失效情况和处理办法逐一进行研究。

1 350 MW机组机侧汇流排联箱T型接头损坏

汇流排联箱是汽轮机侧的一种异型联箱，如图1、图2所示。工作原理：汇集主汽系统和再热热段系统的输水，集中排放，设备运行近1万h，在运行中导出管与联箱连接部位脱开，发生泄漏，机组被迫停机，扒保温检查发现联箱接管自与联箱连接焊接接头处脱开，如图3所示。

图1 350 MW机组汇流排联箱结构

图2 350 MW机组原始设计汇流排联箱结构示意图

图3 350 MW机组汇流排角焊缝失效

经分析，这种连接结构发生失效的原因是由于T型结构的连接处没有使用管座进行加强导致角焊缝处连接强度不足，使接管在结构不连续的角焊缝处脱开，发生泄漏，导致机组非停。

经分析和强度计算，这种联箱系统结构的连接结构强度不足，导致泄漏，为避免此类事故的重复发生，需对部件结构按《火力发电厂汽水管道零件及部件典型设计》的相关规定进行改造、加强，并结合其结构特点，设计出加强管座，按焊接规程的要求，选取合适的焊材、焊接方式和热处理工艺，进行结构改型焊接改造，系统恢复连接后，至今已安全运行近10万h，每次机组停机检修都进行跟踪检查，各项检查未发现异常。改造后的汇流排联箱结构如图4所示。

图4 350 MW机组改造后汇流排联箱结构示意图

2 200 MW机组炉侧集汽联箱向空排汽管管座和联箱母材的损坏

200 MW机组锅炉集汽联箱向空排汽管是该型锅炉的重要高温、承压部件。其工作原理为机组启动前和异常工况时，系统通过向空排汽管紧急向外排出系统内的空气和蒸汽，保持设备的运行安全(见图5)。机组在额定参数运行时向空排汽管道系统是封闭的，因此造成机组正常运行时向空排汽管内距离联箱越远，温度越低，导致向空排汽管内的部分蒸汽会发生凝结，形成凝结水顺立管向下流动，对金属部件造成热疲劳损伤。

图5 200 MW机组集汽联箱和向空排汽管实物结构

从该类型机组同类部件长期运行的情况看，这一接管结构在其设计工况下长期运行存在不安全隐患，有的甚至发生爆破事故，特别是这种连接系统中排汽管管座位于集汽联箱上部，由其运行工作原理可知，会造成向空排汽管中经常有凝结水回流到接管管孔，甚至流到下部联箱内部。由于机组参数变化等原因造成有凝结水频繁、周期性产生和流动，对接管、管座母材以及联箱开孔孔壁产生了交变温度应力，交变应力积累到一定程度会导致管座母材和联箱开孔的孔壁内表面产生热疲劳裂纹(见图6—图8)。随着机组运行时间延长，部件材料老化和劣化，这种热疲劳裂纹在交变的温度应力以及内部介质对裂纹前沿不断的腐蚀等因素作用下，将不断延伸、扩展，积累到一定程度就可能发生设备泄漏损坏事故。原辽宁发电厂2期工程的2台200 MW机组向空排汽管都曾发生过这种裂纹损坏，只是由于及时发现并处理，才未酿成重大设备事故，这种裂纹一般为沿凝结水流动方向的延晶裂纹，超声波探伤时，探头沿管孔环向移动，缺陷的检出率相对较高。

图6 集汽联箱管座部位产生裂纹示意图

图7 连接集汽联箱管座发生裂纹实物图

图8 T型接头部位集汽联箱发生裂纹实物图

处理方法如下。

a.按原设计图纸加工新联箱管段和新管座，按相关焊接规程和热处理规程进行焊接修复，探伤、检验合格后，恢复保温，投入使用。但由于新部件加工时间长，导致修复时间延长，所以本次处理不采用这种办法。

b.由于缩短工期的需求，根据部件等面积补强原理，本次检修使用了一种新的修复工艺，首先反复打磨和探伤，把联箱内孔的裂纹彻底清除干净，按照《火力发电厂焊接技术规程》的要求，把消除裂纹后的开孔修复成符合相关规程的坡口形状(见图9)，这时联箱开孔的直径远大于原始的开孔(见图10)，根据《水管锅炉受压元件强度计算》的内容和要求，必须进行等面积的补强才能满足原部件的强度设计要求，根据加工成的坡口尺寸测绘加工一个较原有尺寸大的管座(见图11)，一是满足填满联箱新内孔，满足等面积补强的要求；二是大管座上口尺寸满足连接向空排汽管的连接要求，然后根据焊接工艺进行施焊、焊后热处理，焊后进行硬度检测、超声波探伤，检测合格后恢复保温，投入使用，安全运行了15万h。本工艺由于只需外委加工一个大的管座，所以修复施工所需的新部件加工的量较第1种处理办法大大降低，部件修复的焊接量大大减少，并且节约了使用合金部件的数量，总体极大地缩短了修复时间。

图9 清除裂纹后开孔

图10 集汽联箱原始开孔

图11 修复后管座

由于系统和部件的特点，这种存在有规律发生，并且逐渐发展缺陷的部件，在机组停机检修时，要列为必检项目，加强日常监督，确保安全。

3 50 MW机组炉侧主汽管道接点火管路母材损坏

50 MW机组的主蒸汽管道立管的点火管路三通，水平焊装在管道的侧壁。其工作原理：本机组为相邻机组提供机组点火启动的推动汽源，相邻机组启动完成后，本管路就关闭。因为随远离母管的管段温度逐渐降低，使冷凝水汽经常积存在水平管段，而随着机组启停和参数波动，使水平管的温度发生波动，极易使这一部位的管段产生热疲劳裂纹。原辽电的点火管路三通Φ273×18 mm的主蒸汽管道垂直管段上Φ168×8 mm的水平导出管母材就发生过热疲劳爆管，见图12。管孔下部管壁就是由于这一原因而产生热疲劳裂纹，设备检修时，对这一部位必须进行严格超声波检测，一般机组运行约5万h左右就能产生宏观裂纹，对超声波检测发现问题的管段每次需更换长约600 mm的管段，才能确保安全，因此这种结构的部件，也要成为每次停机检修的必检项目。要注意的是水平接管的裂纹一般主裂纹为环向裂纹，因此超声波探伤时探头移动方向沿着水平管轴向移动的检出率最高。

(a)水平导出管裂纹部位

4 结论

a.对未进行加强的T型焊接结构必须按相关规范要求加装管座，东方公司汇流排改进结构后，到现在运行近10万h未发生泄漏事故。

b.改变运行方式，减少机组启停，避免热疲劳损坏。

c.管座应采用整体锻制成形的热加工工艺，材料的化学成分应与所连接的主设备相当。管座根部的凹窝及主设备开孔内外壁要保证粗糙度合格，以提高耐疲劳性能。

d.焊接材料及焊接、热处理工艺均须符合焊接规程规定。