锅炉主蒸汽管道裂纹产生原因及预防

文/亓海峰

大型发电厂锅炉主蒸汽管道长期在高温、高压状态下运行，其安全与否对电厂锅炉的正常运行十分重要，其中主蒸汽管道产生裂纹直接威胁着锅炉机组的安全运行。

某发电厂2号锅炉为亚临界参数控制循环单汽包固态水力排渣煤粉炉。锅炉形式为SG—1025/17.44—M 844，该炉已累计运行13.7万小时，其过热器出口压力为17.44 MPa，温度为541℃，主蒸汽管道材质为12Cr1MoV，规格为Φ610×95 mm，在对此锅炉内部检验时，对主蒸汽管道大包上部出来第1个弯头上环焊缝进行无损检测抽查时，发现在以正上方为零点（沿介质流向右视）顺时针4点至6点钟方向，发现1条断续纵向裂纹磁痕缺陷显示，长度约180 mm，沿着熔合线分布，后经打磨消除，打磨最深处为15 mm。

结合检验前查询的机修资料及运行记录，该锅炉在运行期间经历多次启停，在上次B修时（A是大修，B是一般性大修，C是一般性小修），曾出现过表面裂纹，本文根据主蒸汽管道裂纹的位置、形态分布等，通过多种方法对此管道进行检验分析。

检验过程分析

此锅炉的主蒸汽管道布置是由末级过热器出口集箱，炉顶大包引出后，经过第1个弯头到达大包顶部平台，此缺陷正是出现在第1个弯头焊缝处，该弯头承受较大的拉应力和疲劳应力效应。

一是对该锅炉主蒸汽管道弯头及相邻直管段进行壁厚测定，对上环焊缝周圈的炉上、炉下、炉前、炉后均匀测定，距离焊缝50 mm处实测壁厚分别为：90.10 mm、89.38 mm、89.27 mm、88.03 mm。实测最小壁厚88.03 mm，所测各点壁厚均大于最小需要壁厚（83.50 mm），可知壁厚测定及宏观检查未见异常。

二是根据TSG 11—2020《锅炉安全技术规程》J3.10 第（5）款的规定，对锅炉范围内管道和主要连接管道进行表面无损检测和超声检测抽查，对主蒸汽管道大包上部出来第1个弯头，除裂纹缺陷处之外，在上环焊缝和下环焊缝分别进行了磁粉检测和超声检测，弯头部位也进行了磁粉检测，均未见异常。

三是金相组织检验和硬度检测。根据TSG 11—2020《锅炉安全技术规程》J3.10 第（6）款和J3.15.7 第（1）、（3）款的规定，对锅炉范围内管道和主要连接管道，工作温度大于或等于450 ℃的主蒸汽管道中的焊接接头和弯头进行硬度和金相检测抽查。金属材料的性能与其化学成分、组织状态有着密切关系。金相组织检验是检测金属材料性能的重要手段之一，材料的化学成分确定后，其性能就取决于材料的组织状态。金相组织检验包括宏观检验和金相显微组织检验。宏观检验就是用肉眼或借助低倍放大镜直接进行观察，可以检查金属宏观组织和缺陷。此次检测主要用金相显微镜进行检验，提前用角磨机和研磨膏打磨好焊缝表面，借助显微镜来观察焊接接头各区域的显微组织、偏析、缺陷，以及析出相的种类、性质、形态、大小、数量等，以此来检验焊接接头的组织和缺陷。通过对焊接接头金相组织的检测分析，可以了解焊缝金属中晶粒度及组织状况，组织老化程度等。

在主蒸汽管道裂纹缺陷位置附近进行金相组织检验，用4%硝酸酒精溶液侵蚀，在400倍金相显微镜下根据GB/T 13299—1991《钢的显微组织评定方法》评定，金相结果显示裂纹周围正常位置金相组织为回火贝氏体，金相组织未见异常情况，组织评定为2.5级，符合DL/T 884—2019《火电厂金相检验与技术评定导则》、DL/T 773—2016《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》。

四是里式硬度检测均测量五次取平均值，如表1所示，焊缝部位为182 HBW，直管侧热影响区为175 HBW，直管母材为168 HBW，硬度检测结果符合标准，钢管母材硬度为135～195 HBW；焊缝硬度不应低于母材硬度的90 %，不超过母材布氏硬度加100 HBW，且不超过270 HBW。根据DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》、DL/T 869—2012《火力发电厂焊接技术规程》、GB/T 17394.1—2014《金属材料 里氏硬度试验 第1部分：试验方法》等评定标准，符合标准要求。

表1 里式硬度检测结果

五是光谱分析。经现场化学成分分析，主蒸汽管道的分析结果表明该处管材及环缝化学成分符合DL/T 991—2006《电力设备金属光谱分析技术导则》和DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》 关于12Cr1MoV合金钢管各元素含量范围的规定。

产生原因分析

首先，根据检验结果，主蒸汽管道材质及焊缝化学成分满足标准要求，排除用错材料的情况。金相分析结果显示，材料组织结构完好，未产生明显球化、老化等现象，母材、焊缝硬度值在正常范围之内。此弯头处于大包出来后的第1个弯头，在启停过程和运行过程中由于热胀冷缩而产生的应力等原因，多次启停，在锅炉机组启动过程中，主蒸汽管系从常温达到工作温度过程中，整个管线系统存在热膨胀，造成弯头及弯管部位内侧压应力，在锅炉机组停机时，冷缩等变形同样产生应力，是造成裂纹的主要原因。对于此主蒸汽管道管线向后数第2个45°弯头来说，未发生缺陷的情况，从而表明管道受力情况、布置结构、运行情况等降低了应力集中情况的发生。

其次，经现场查询资料发现，在上次检修期间，在此部位出现长8 mm、深3 mm纵向表面裂纹，经打磨后消除，在打磨挖补位置，焊补后未进行焊后热处理，也是造成此次缺陷的一个因素。应该在此缺陷处打磨圆环过渡并进行无损检测合格后处理好，管道在高温高压作用下弯头处造成的应力集中，管道、管件、保温材料及外压力在启停过程中沿管壁厚度方向递减温度梯度，引起管头处应力不均匀也在一定程度上促进了裂纹的产生。部件长时间在高温、高压状态下运行，使材料的抗疲劳能力下降，易出现老化现象，从而易产生疲劳裂纹。

最后，如果焊缝内存在一定数量的疏松空洞，容易产生金属整体结构不连续，降低金属的承载截面积，易产生应力集中。对整个结构会造成较大危害，这些因素也会导致疲劳裂纹产生。如果焊接接头两侧母材的厚度偏差较大，焊缝表面与母材之间会形成一定角度的夹角，从而也造成结构的不连续性，应力集中产生。熔合线处恰恰就成为焊接接头的薄弱地带。该机组累计运行时间已超过13万小时，期间启停数次，热胀冷缩等变形受约束而产生二次应力，也是造成疲劳裂纹的因素之一。

预防措施

为了预防事故发生，减少裂纹对主蒸汽管道的安全运行的影响，应在裂纹打磨消除后制定合理的返修措施，在修复好缺陷的基础上做好日常管理和维护，合理调度减少启停频次，在条件允许的情况下加强补偿，减少缺陷处应力集中情况的产生，为机组的安全运行提供保障。加强此部位的监督检查力度和定期维护保养，防患于未然。尤其是在每次的A修或B修过程中重点检查此部位，是否已经产生疲劳或者磨损减薄等问题，一旦发现异常，应立即处理。

焊缝上存在缺陷是产生裂纹的根源。该蒸汽管道已累计运行超过13万小时，金属部件在高温条件下运行会出现老化现象，使材料抗疲劳能力下降，是产生裂纹的主要原因。合理规划管线走向和焊接结构，在条件允许的情况下，设计时可以考虑管线双侧布置，这样可以在一定程度上减小应力产生，有助于降低疲劳裂纹扩展的概率。

在处理缺陷时，若是轻微缺陷，应在打磨处理完后圆滑过渡，释放应力。并制定修补方案和检测工艺，严格进行无损检测，满足要求后使用。严重的缺陷需要挖补并按照工艺焊补后热处理，严格按照相关规程要求对温度和时间进行掌控好。