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[200805081813008]大型火电厂主蒸汽管焊缝裂纹案例及分析


大型火电厂主蒸汽管焊缝裂纹案例及分析
范 (广西特种设备监督检验院 良 广西 530022)

摘 要 针对某大型火电机组在试运行期间主蒸汽管焊接接头出现裂纹的情况, 从材料 分析、焊接工艺、结构受力等方面进行综合分析。结果表明,焊接接头结构的不连续性、阀 体母材缺陷及管系应力分布不合理等三方面因素的综合作用是导致该焊接接头在短期内失 效的主要原因。

关键词 主蒸汽管 阀体 焊接接头 裂纹

ANALYSIS OF THE WELDING CRACK ON THE MAIN STEAM PIPE OF A LARGE-SCALE THERMAL POWER PLANT
Fan Liang (Guangxi special type equipment superintends and checkout academe Guangxi 530022) Abstract Aimed at the crack in the main steam pipe solder connection of a large-scale thermal power unit during the period of the pilot run, the text from aspects and so on material analysis, welding procedure, structure stress carries on the thorough analysis. Come to the result that it is the primary cause which the Solder connection expires in the short-term that the discontinuity of the solder connection structure, the valve body flaw and the stress produced by unreasonable distribution of pipe arrangement three aspect factor combined action. Key words Main Steam Pipe Valve body Solder connection Crack

一、

基本情况

某火电厂一台新安装 330MW 机组在试运行期间主蒸汽管焊接接头出现裂纹并穿透近 90mm 的壁厚发生泄漏。泄漏焊缝位于堵阀和高过联箱导管大小头连接处(见图 1) ,堵阀 侧外径(不含倒角部分)570mm,内径 371.7mm,壁厚 99.2mm;大小头侧外径 541.1mm, 内径 371.7mm,壁厚 84.7mm。堵阀材料为 ZG15Cr1Mo1V,大小头材料为 12Cr1MoV。采 用双人对焊,氩弧打底电焊盖面,多层多道焊。焊丝材料规格 TIG-R31,Ф2.5,焊条材料 规格 R317(E5515B2V),Ф3.2、Ф4。 该机组从试运行至堵阀发生泄漏停机,累计运行时间 2164 小时,其间共启停 26 次。
1

主蒸汽管额定运行压力为 18.43Mpa,介质温度为 543℃。

〔图 1〕

焊接过程有两次较长时间的停焊。第一次,焊至焊缝厚度 16~20mm 停焊,X 射线拍片; 第二次焊至焊缝厚度约 75mm 停焊,第二天继续焊。 堵阀两侧约 3 米处各有一支吊架,一侧为弹簧支吊架,另一侧为固定支吊架。

二、检验情况
宏观检查: 泄漏为焊接接头裂纹所致。 从外表面看, 该焊缝与阀体侧母材连接有约 10mm 高的台阶,形成约 90°的夹角(见图 2) 。裂纹大部分沿焊缝与阀体的熔合线分布,长约 1060mm,其中沿焊缝分布长度约 70mm。从内壁看到阀体侧母材有一条长 220mm 的穿透性裂 纹(见图 3) 。从裂纹贯穿处取样观察,断口分为两部分:由外壁向内约 20~40mm 范围内为 沿熔合线开裂的脆性断口,其余部分为阀体母材的疲劳裂纹。疲劳源处可见 4 个直径约为 3 -4mm 的疏松孔,疲劳裂纹贯穿阀体进口管至内壁,并与熔合线裂纹相交(见图 4) 。

台阶

裂纹

[图 2]

〔图 3〕

光谱分析:主蒸汽管母材、焊缝材质、堵阀母材均符合原设计要求。 硬度检验(里氏硬度仪) :阀体母材外表面:101~120HB,焊缝:265~295HB;阀体 母材内表面:207~237HB。 金相检验:焊缝显微组织为回火贝氏体和网状铁素体,大小头侧母材显微组织为铁素 体和珠光体, 堵阀侧母材显微组织为珠光体和少量贝氏体, 堵阀侧焊接热影响区发现沿晶裂
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纹(见图 5) 。焊缝横断面宏观金相(见图 6)发现,焊缝层数明显少于焊接工艺规定的层数, 手工电弧焊每层焊缝厚度超过焊接工艺规定的厚度。

〔图 4〕

〔图 5〕

200×

〔图 6〕

三、

原因分析

1、阀体材料特性。阀体材料为 ZG15Cr1Mo1V,容易产生裂纹,对热处理冷却速度相当 敏感,容易在铸件中造成不均匀的组织和性能。ZG15Cr1Mo1V 钢的导热系数小,热膨胀系数 大,在焊接的热循环作用下,会造成较大的变形和应力。焊接时的主要问题是,在近缝区形 成淬硬组织的倾向很大, 因而要用预热和补偿加热来焊接, 而且在焊接后接头必须给以比较 高的温度进行回火热处理,焊接接头的强度和塑性以及它的组织稳定性和运行中的可靠性, 在很大程度上取决于焊接热规范。 2、峰值应力。焊缝表面与阀体母材之间形成了约 90°夹角的台阶,从而造成结构形状 的突变,产生局部应力集中,形成峰值应力;而且阀体进口管与异径管(大小头)的小端焊 接,有资料
〔1〕

分析表明,异径管的应力分布峰值在小端。小端的应力比直管的应力高一倍

以上;此外,该焊接接头每层焊缝厚度过大,势必造成焊接接头残余应力水平过高。三者叠 加,造成局部严重的峰值应力。

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3、焊接问题。由阀体的材料特性可知,焊接接头的可靠性,在很大程度上取决于焊接 热规范。该焊接接头在焊接过程没有严格执行焊接工艺,每层焊缝厚度过大,除上述提到的 增加焊接残余应力外,很容易出现焊层与母材熔不透的缺陷。从图 4 可见,焊接接头外表面 裂穿处,两个焊层与阀侧母材整个沿熔合线剥离。裂源是否由焊接缺陷引起,目前尚无充分 的依据证实,但也不能排除这种可能性。虽然有记录表明该焊接接头作了射线和超声检测, 但受结构的限制及检测手段的局限性,该部位即使存在未熔合缺陷,也无法检测出来。 4、母材缺陷。阀体材料存在多个疏松孔洞,破坏了基体金属的均匀连续性,减少了基 体金属的承载截面积, 并产生应力集中, 对构件危害特别大。 这些缺陷直接形成疲劳裂纹源。 从图 7 可以看到, 疏松孔洞以及裂纹扩展区中的放射线。 从裂口的纵断面可以清楚地看到裂 纹发展进程的疲劳纹。

〔 图 7〕

5、阀体母材内、外表面硬度值相差较大,大于 100HB。这可能与焊前预热,焊后热处 理有关。由于阀体较大,壁厚较厚,造成加热不均匀,在壁厚方向形成温度梯度。该焊缝焊 接过程有两次较长时间的停焊。 重新焊接时预热温度是否达到, 是否均匀, 都会影响硬度值。 尤其是第二次焊至 75mm 停焊,第二天重新焊接时若预热温度不均匀,内外壁相差较大的情 况下,内壁由于预热温度不足,在焊接的热循环作用下,会造成较大的应力,在近缝区形成 淬硬组织。 6、管系应力。该机组从试运行至堵阀发生泄漏停机,累计运行时间 2164 小时,其间 共启停 26 次。机组启停过程,主蒸汽管系由热胀冷缩等变形受约束而产生的二次应力,几 处支吊架状态异常,使得管系应力分布不合理,提高了管系局部区域应力水平。 分析结果表明,以下三方面因素的综合作用导致该焊接接头在短期内失效:1、焊接接 头两侧母材的壁厚偏差较大,焊缝表面与母材之间形成了约 90°的夹角,从而造成结构的 不连续性,产生应力集中,使熔合线处成为该焊接接头的薄弱部位。此外,每层焊缝厚度过
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大,势必造成焊接接头残余应力水平过高。2、阀体进口管在运行过程中产生了以疏松孔为 疲劳源、以管壁周向为扩展方向的疲劳断裂。3、几处支吊架状态异常,使得管系应力分布 不合理, 提高了管系局部区域应力水平。 峰值应力过高加上交替的二次应力是造成疲劳损坏 的主要原因 。
[2]

四、防范措施
1、新阀门安装前应进行 100%无损检测,特别要确认坡口表面及接口管不应有影响焊 接质量的缺陷。2、在管道施工中严格执行焊接工艺,高度重视焊接质量,为避免应力集中 和结构的不连续性,应保证焊缝与母材表面的圆滑过渡。另外,由于坡口角度小,应注意使 两侧母材熔合良好。3、按照 DL/T869-2004 规程的要求,除需要在焊接至 20mm 厚度时进 行中间探伤外,后续填充焊缝应一次连续完成。4、因阀体与大小头之间壁厚差异较大,在 焊后热处理时应采取有效措施(如辅助加热等)确保焊接接头的热处理效果。热处理后应进 行硬度检验,必要使可进行残余应力测定。5、堵阀安装工作结束后,依据制定的支吊架调 整方案对冷态下发现的状态异常支吊架进行调整,以改善管系应力状况。另外,根据支吊架 实际状态对主蒸汽管道支吊架载荷、位移及管系应力进行计算、分析,机组启动后对支吊架 进行热态检验。 综合冷、 热态检验结果并结合应力计算结果制定完善的管道支吊架调整方案 并在有条件时实施。6、加强运行过程的监控,提高运行水平,避免因运行原因形成额外的 附加应力。

五、参考文献
[1] 沈松泉 压力管道安全技术 南京 东南大学出版社 2001 北京 中国电力出版社 2006

[2] 李彦林 锅炉热管失效分析及预防

注: 建设方邀请了有关专家到现场进行事故分析, 本文采用了专家组的初步分析结果及 建议。

注:本文曾在《中国特种设备安全》杂志发表,有修改。

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