火力發(fā)電廠承壓部件上管座眾多，主要有溫度測(cè)點(diǎn)、壓力測(cè)點(diǎn)、疏(放)水、排空、蒸汽取樣等，管座均連接在主蒸汽及再熱蒸汽管道和集箱上，其工作溫度高、壓力大。近年來(lái)，因火電機(jī)組的調(diào)峰要求,高溫、高壓管座和套管角焊縫處頻繁發(fā)生泄漏事故，其中溫度管座的套管失效概率較大。為保證測(cè)溫的準(zhǔn)確性，溫度管座需要插入承壓部件內(nèi)部，溫度套管頂端受到蒸汽沖刷，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易產(chǎn)生疲勞失效，造成機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)，給現(xiàn)場(chǎng)人員的人身安全帶來(lái)隱患。有學(xué)者指出，P91鋼主汽管道上熱電偶插座裂紋的產(chǎn)生原因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，采用增大坡口根部角度的方法并保證全焊透可以避免裂紋的產(chǎn)生，但焊縫缺陷返修實(shí)施難度很大，且返修對(duì)主汽管道損傷太大；采用增加管座結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行改造，可以大大降低焊接及熱處理工藝的操作難度，但溫度管座與套管的角焊縫是未焊透結(jié)構(gòu)，只能對(duì)角焊縫處進(jìn)行表面探傷，無(wú)法對(duì)焊縫內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。
火電廠溫度管座的失效往往是各種因素綜合影響而導(dǎo)致的。材料選擇不當(dāng)、裝配不當(dāng)、焊接工藝執(zhí)行不到位、焊縫埋藏缺陷無(wú)法被及時(shí)檢測(cè)等原因，均會(huì)導(dǎo)致管座失效，因此管座的安全服役是綜合優(yōu)化的結(jié)果。針對(duì)這一情況，來(lái)自江蘇大唐國(guó)際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司和中國(guó)大唐集團(tuán)的科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司的蒙殿武、馬志寶等研究人員對(duì)溫度管座的結(jié)構(gòu)、焊接工藝、選材、檢測(cè)方法等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)，并提出了綜合優(yōu)化的概念，為火電廠新建機(jī)組管座設(shè)計(jì)、失效管座技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。
1.1主汽門溫度套管脫落
2016年國(guó)內(nèi)某電廠600MW機(jī)組高壓主汽門入口溫度保護(hù)套管脫落，主汽門材料為ZG15CrMo鋼，壁厚約為80mm，溫度套管材料為1Cr18Ni9Ti鋼，溫度套管與主汽門管座孔為過(guò)渡配合，焊接結(jié)構(gòu)未開(kāi)坡口，焊接材料為A132鋼，焊腳尺寸約為5mm(見(jiàn)圖1)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，位于坡口面約50%的焊道外觀有明顯的裂紋擴(kuò)展痕跡，約30%有明顯的撕裂痕跡。該焊接結(jié)構(gòu)未開(kāi)坡口，焊腳尺寸及焊接材料不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)機(jī)組啟停和調(diào)峰頻繁、溫度變化次數(shù)增加時(shí)，該溫度套管受到周期性熱應(yīng)力，在焊縫根部產(chǎn)生裂紋，在運(yùn)行過(guò)程中裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致溫度套管脫落。
1.2主蒸汽管道上溫度套管開(kāi)裂
國(guó)內(nèi)某電廠600MW機(jī)組的主蒸汽管道上溫度套管發(fā)生開(kāi)裂，開(kāi)裂溫度套管的宏觀形貌如圖2所示，可見(jiàn)裂紋位于焊縫與母管熔合線附近，主蒸汽母管材料為A335P91鋼,壁厚為47mm；溫度套管材料為1Cr18Ni9Ti鋼，結(jié)構(gòu)形式為溫度套管直接埋入主蒸汽管道中，且為未焊透結(jié)構(gòu)。該溫度套管的結(jié)構(gòu)為直埋式未焊透結(jié)構(gòu)，焊縫根部應(yīng)力集中程度較大，焊縫根部坡口角度較小，焊接時(shí)擺絲困難，容易形成夾雜、未熔合缺陷。母管與套管材料不同，為異種鋼焊接，焊接后實(shí)施熱處理的難度較大，在交變應(yīng)力的作用下，沿焊縫與母材側(cè)熔合線產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致溫度套管發(fā)生早期開(kāi)裂。
2、溫度管座失效影響因素
2.1 異種鋼焊接接頭
溫度管座的材料一般為不銹鋼，管道、集箱或缸體一般為鐵素體耐熱鋼，因此溫度管座就出現(xiàn)了異種鋼焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，奧氏體異種鋼接頭發(fā)生早期失效的時(shí)間約為7×104h，鎳基合金異種鋼接頭發(fā)生早期失效的時(shí)間約為106h。異種鋼的熱膨脹系數(shù)存在差異，導(dǎo)致焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力較為復(fù)雜，低合金側(cè)容易產(chǎn)生氧化缺口，因此異種鋼焊接接頭易發(fā)生早期失效。
2.2 結(jié)構(gòu)
目前直埋式溫度管座一般都為未焊透結(jié)構(gòu)，其焊縫根部角度較小，焊接時(shí)擺絲困難，容易形成未焊透或未融合缺陷，這種結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，且很難被檢測(cè)出來(lái)，使焊接質(zhì)量難以得到有效控制。
2.3 焊接工藝
焊接工藝不當(dāng)，沒(méi)有進(jìn)行預(yù)熱和焊前熱處理，焊縫根部存在嚴(yán)重未焊透現(xiàn)象，未做焊后熱處理，均會(huì)導(dǎo)致溫度管座發(fā)生早期失效。
2.4 裝配工藝
裝配工藝不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致管座發(fā)生振動(dòng)，并產(chǎn)生應(yīng)力集中；還會(huì)使溫度管座的錐形套與管壁內(nèi)孔的錐形面未緊密接觸，管座直段在介質(zhì)沖擊作用下發(fā)生振動(dòng)，最終使溫度管座根部發(fā)生疲勞斷裂。
2.5 管系布置
機(jī)爐外管往往沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙，施工單位在施工過(guò)程中因地制宜進(jìn)行布置，但如果布置不當(dāng)造成熱膨脹受阻、支吊架調(diào)整不到位，會(huì)使管座產(chǎn)生拘束應(yīng)力，并引發(fā)開(kāi)裂。
2.6 加工工藝
溫度管座變徑處存在退刀槽和截面突變，沒(méi)有進(jìn)行圓滑過(guò)渡，存在應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致該部位發(fā)生泄漏。
3、綜合優(yōu)化
3.1管座結(jié)構(gòu)
溫度管座按結(jié)構(gòu)形式分為直埋式、管座式和螺紋式(見(jiàn)圖3~5)。直埋式溫度管座是將管座直接埋入承壓部件內(nèi)部焊接而成，可分為根部非焊透結(jié)構(gòu)和全焊透結(jié)構(gòu)；管座式溫度管座是用短節(jié)接管相連接，可分為安放式和插入式；螺紋式溫度管座是在管道開(kāi)孔處或管座內(nèi)壁加工螺紋，套管與管座用螺紋連接，并在管座表面進(jìn)行焊接密封。
因無(wú)法對(duì)螺紋式結(jié)構(gòu)角焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，故對(duì)管座的質(zhì)量可控性較差，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用較少，一般應(yīng)用于高中壓主汽閥上；直埋式和管座式在各類管座中應(yīng)用較廣泛。直埋式與管座式結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的比較情況如表1所示，可見(jiàn)管座式結(jié)構(gòu)焊縫處的應(yīng)力更小，對(duì)主管母材的熱損傷小，易修復(fù)，可以對(duì)焊縫埋藏缺陷進(jìn)行超聲檢測(cè)，因此在設(shè)計(jì)、改造、維修中應(yīng)首選管座式結(jié)構(gòu)。
3.2管座材料
國(guó)內(nèi)大部分設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的溫度套管材料主要有兩種，一種是與管道同材料的低合金耐熱鋼，另一種是奧氏體不銹鋼，這兩種材料在各機(jī)組中所占比例相當(dāng)。不銹鋼溫度套管的優(yōu)點(diǎn)為，具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性以及抗蒸汽沖刷能力；缺點(diǎn)為易發(fā)生異種鋼接頭早期失效，且鎳基焊縫不易進(jìn)行超聲檢測(cè)，很難對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。因此管座應(yīng)選用與套管相同的材料，要綜合考慮材料的強(qiáng)度、抗氧化性、熱膨脹性、疲勞、焊接、檢驗(yàn)檢測(cè)等方面因素。
3.3管座檢測(cè)方法
3.3.1 外徑為32~89mm的管座
依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)管座外露檢測(cè)面長(zhǎng)度滿足規(guī)程要求時(shí)，可采用普通A型脈沖反射法對(duì)管座角焊縫進(jìn)行檢測(cè)。探頭放置的檢測(cè)面為接管外壁，依靠一次直射波和內(nèi)壁二次反射波進(jìn)行焊縫檢測(cè)覆蓋，檢測(cè)過(guò)程中無(wú)須考慮管道曲面對(duì)缺陷定位的影響。
目前絕大部分機(jī)組管座的檢測(cè)面長(zhǎng)度均不滿足規(guī)程要求，對(duì)于這種情況，如果管座檢測(cè)面長(zhǎng)度不小于25mm，也可使用相控陣法進(jìn)行檢測(cè)。
對(duì)于安放式管座，依據(jù)DL/T 1105.2—2010《電站鍋爐集箱小口徑接管座角焊縫 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)則第2部分：超聲檢測(cè)》進(jìn)行檢測(cè)，可發(fā)現(xiàn)接管側(cè)坡口的未熔合、未焊透缺陷，以及焊縫中的氣孔、夾雜、部分反射面較好的裂紋，但若主管筒體不開(kāi)坡口或坡口角度很小，則很可能漏檢主管筒體坡口的未熔合缺陷。
對(duì)于直埋式管座，依據(jù)DL/T 1105.2—2010進(jìn)行檢測(cè)，容易漏檢接管側(cè)焊接區(qū)未熔合缺陷，這也是直埋式結(jié)構(gòu)不容易進(jìn)行質(zhì)量控制的原因。
3.3.2 外徑不小于89mm的管座
外徑不小于89mm的管座在疏水、排空、測(cè)溫、壓力管座中應(yīng)用較少，此處不進(jìn)行討論。
3.3.3 外徑為22~32mm且壁厚不小于4mm的管座
對(duì)于外徑為22~32mm且壁厚不小于4mm的管座，很多常規(guī)超聲檢測(cè)規(guī)程都沒(méi)將其納入檢測(cè)范圍，可用相控陣法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。
3.3.4 外徑小于22mm或壁厚小于4mm的管座
對(duì)于壁厚小于4mm的管座，體波難以傳播，易形成導(dǎo)波，不能進(jìn)行超聲檢測(cè)。可以采用直流磁粉檢測(cè)法對(duì)其近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)證實(shí)，滿足提升力≥177N的直流電磁軛，能檢測(cè)壁厚4mm管座的對(duì)接焊縫根部未焊透缺陷。
4、建議
4.1管座結(jié)構(gòu)的選擇
對(duì)于服役溫度大于400℃或服役載荷大于5.9MPa的承壓部件，推薦使用插入式管座；對(duì)于服役溫度小于400℃或服役載荷小于5.9MPa的薄壁承壓部件(壁厚小于20mm)，推薦使用直埋式管座。管座角焊縫、溫度測(cè)點(diǎn)、取樣管等與管座的對(duì)接焊縫均須采用全焊透結(jié)構(gòu)。
對(duì)于安裝在管道上的各類管座，不宜使用螺紋式結(jié)構(gòu)；對(duì)于安裝在各類閥(缸)體上的各類管座，允許采用螺紋式結(jié)構(gòu)?？坎迦攵司o密配合的溫度管座,宜采用圓錐形設(shè)計(jì)，安裝時(shí)保證管座與承壓部件管壁頂緊。
承壓部件管座形式及角焊縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足無(wú)損檢測(cè)對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷和表面缺陷的檢測(cè)要求，接管外徑不小于32mm，壁厚不小于4mm，長(zhǎng)度不低于60mm，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
4.2材料及焊接工藝的選擇
高溫(服役溫度不小于400℃)管座及套管宜選用與承壓部件相同的材料,低溫 (服役溫度小于400℃)管座及套管可采用比承壓部件性能等級(jí)高的材料。
焊縫坡口形式以及坡口角度的設(shè)計(jì)要滿足根部焊透要求，盡量減少熔敷金屬填充量，以降低焊接應(yīng)力；焊接宜采用氬弧焊打底,氬弧焊或低氫焊條填充和蓋面。
4.3檢測(cè)方法
按DL/T 869—2012 《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求，對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀觀察、光譜檢驗(yàn)，如焊接接頭能放置便攜里氏硬度計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行硬度測(cè)試。鐵磁性材料優(yōu)先使用磁粉檢測(cè)。能確定溫度管座結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)允許的情況下應(yīng)進(jìn)行超聲檢測(cè)，并應(yīng)制定超聲檢測(cè)操作指導(dǎo)書；結(jié)構(gòu)不滿足超聲檢測(cè)要求且曾發(fā)生過(guò)失效的管座，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，以滿足檢測(cè)要求。
5、結(jié)語(yǔ)
火電廠溫度管座失效的影響因素有：管座結(jié)構(gòu)、管座材料、焊接工藝、裝配工藝、管系布置等，需采用綜合優(yōu)化思維對(duì)管座的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
管座結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先選擇全焊透的插入式管座，套管及管座應(yīng)選用與承壓部件相同或相近的材料。管座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇應(yīng)滿足無(wú)損檢測(cè)對(duì)焊縫埋藏缺陷和表面缺陷的檢測(cè)要求。
綜合優(yōu)化概念的提出可以為提高火電廠溫度管座的安全性，避免機(jī)組發(fā)生事故甚至造成人身傷亡等提供理論支持。
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