红阳热电2#机组高旁预热管道断裂分析及预防

蒋春雷，桂朝伟

（辽宁沈煤红阳热电有限公司 发电运行部，辽宁 辽阳 111000）

异种钢焊接技术在当今大容量火电机组上的应用越来越为广泛，但同样也因为各种各样的因素导致焊口发生失效事故。红阳热电2#机组在正常运行过程中高旁预热管道发生断裂，断口位置位于预热管道与高旁及主蒸汽管道的P91/12G1MoV异种钢焊接接口处。经委托某电科院金属所对高旁预热管道断裂试件进行检验，旨在找出该预热管道断裂的原因，进而得出相应的预防性措施，以避免类似事故再次发生。

1 机组系统简介

红阳热电装机容量为2×330 MW，2台汽轮机均由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产，其型号为CC275/N330-16.7/537/537/0.981/0.294，型式为亚临界、一次中间再热、高中压合缸、单轴、双缸双排汽、两级可调整抽汽凝汽式汽轮机，机组主要参数如表1所示。

表1 汽轮机主要参数

汽轮机旁路系统采用高、低压串联旁路，高旁容量设置为锅炉最大连续蒸发量的30%，能够满足机组启动要求。在高旁管道电动调整阀前设置1根规格为φ42×5.5 mm，长度约为8 m的预热管道，用于连接高压旁路与主蒸汽管道，如图1所示。高旁预热管道设置的主要目的在于使长期不使用的高旁管道及高旁电动调整阀始终处于热备用状态，以便能够在事故状态下迅速投入高旁系统。

图1 机组蒸汽流程

2 事故简要

2#机组锅炉主蒸汽流量为900 t/h，主蒸汽压力为16 MPa，主蒸汽温度为537℃，机组运行正常。2018年1月15日19时14分左右，巡检人员在例行巡视过程中，听见2#机组高旁管道附近有蒸汽泄漏声，判断管道有泄漏点。机组在滑参数停机过程中，锅炉主蒸汽流量降至490 t/h，主蒸汽压力降至8.6 MPa，主蒸汽温度降至520℃；至20时，汽机主厂房6.3 m平台传来一声巨响，随后大量蒸汽泄出，机组被迫打闸停机。

事故发生后，对现场勘察发现：2#汽轮机高压旁路预热管道与高压旁路管道、主蒸汽管道接口均已断开，断开位置如图2所示。预热管道已掉落在6.3 m平台上。

图2 高旁预热管道断口（主蒸汽管道侧）

3 预热管道断裂情况分析

3.1 宏观分析

汽轮机高压旁路预热管道开裂焊口为异种钢焊口，材质为P91/12Gr1MoV钢，主蒸汽管道、高旁管道及接口管座材质均为马氏体耐热钢P91，高旁预热管道材质为珠光体耐热钢12Gr1MoV。高旁预热管道的规格为φ42×5.5 mm。

该机组停运后，对高旁预热管道断裂部分进行割管取样并送某电科院金属所进行检测，送检部分为12Gr1MoV钢侧（即高旁预热管道侧），如图3所示。可见断口沿熔合线扩展，但没有明显的塑性变形，母材没有发现有机械损伤或裂纹缺陷。

图3 高旁预热管道断口（预热管道侧）

3.2 金相分析

对于送检试样，在图4～图5所示的断口附近环向取样后沿轴向切开，进行金相组织试验。在光学显微镜下观察试验结果，如图6～图9所示。断口位于P91钢侧熔合线附近，断口靠近内壁一侧存在约134.9 μm的氧化皮，其厚度与母材内壁的氧化皮厚度相当。靠近外壁侧断口周围没有氧化皮存在，可见裂纹由内壁向外壁扩展，且焊缝根部存在未焊透或未融合的缺陷，导致该处生成与母材内壁氧化皮厚度相当的氧化皮，基本组织为铁素体和珠光体，老化3级。

图4 试件断口轴向截面宏观形貌

图5 试件断口轴向截面宏观形貌

图6 试件断口靠近内壁一侧金相组织（100×）

图7 试件断口靠近外壁一侧金相组织（100×）

图8 试件基本金相组织（500×）

图9 试件母材内壁氧化皮厚度（200×）

3.3 综合分析

送检试件的整个焊口已经完全开裂成脆性断口，断口附近内壁一侧宽约2 mm区域存在与母材内壁氧化皮厚度相当的氧化皮。因此，推断焊缝根部存在未焊透或未熔合的缺陷。另外参照《管道支吊架》（GB/T17116-1997），类似管路应该每间隔2.5 m左右安装吊架，而高旁预热管道整根管段长度约为8 m，该区域内未安装吊架，造成预热管道载荷都作用于管道两端，而且在机组运行过程中无法避免振动的产生。本次开裂焊口为异种钢焊口，熔合区域强度相对较低，且位于预热管段的最末端，所承受的因管系振动而产生的疲劳载荷最大，因此在长期运行过程中发生开裂事故。

4 高旁预热管道事故后的处理

考虑到该预热管道相对较短，造价相对较低，故将2#机组高旁预热管道全部更换，材质由原12Cr1MoV钢变更为与P91钢同属于马氏体且成分与性能相近的T91钢。T91钢管径与原材质管径相同，且大大增加了管材的机械强度，同时也避免了因异种钢焊接存在的潜在缺陷。

5 预热管道断裂事故的预防

5.1 重要管道、管件、焊缝加强检查

对2#机组重要部位进行无损检验及探伤，如主蒸汽疏水管路的管道、管件、焊缝，部分主蒸汽母管焊缝，高压旁路及部分再热蒸汽母管疏水管路的管道、管件、焊缝均加强检查管理。

5.2 加大对四大管道支吊架的检查

对2#机组主蒸汽系统，高、低温再热蒸汽系统，高、低压旁路系统及受本次事故影响的其他系统支吊架进行全面检查，严格按照相关规定查找隐患并及时整改，缺少支吊架的管道及时按照规范要求安装支吊架。

5.3 停机后的全面检查及缺陷处理

按照《火力发电厂金属技术监督规程》（DL/T438-2016）第7.2.3.4条规定，投产后在A修或B修期间对主蒸汽管道、再热蒸汽管道及与主管道角接的管座焊缝进行有计划地抽查检测，对小管道其他焊缝（如本次事故管道焊口）不要求进行检测，但要求运行10万h后更换全部小管道。截止到2018年1月15日，红阳热电2#机组已经累计运行4.65万h，届时达到更换要求后，将按照相关规定进行更换相应管道。

5.4 严格执行异种钢焊接工艺要求

针对异种钢焊接接头，要严格执行相关操作工艺，把握工艺参数要求，正确选择焊接材料及焊接方法，在焊接操作时选择适当的焊接电量及加热温度，保证焊接质量。同时要改善焊接接头的金相组织，降低参与应力水平。

6 结 论

通过对高旁预热管道异种钢焊口送检试样的分析，得出以下结论：

1）高旁预热管道开裂的焊缝根部存在未焊透或未熔合缺陷；

2）该管路整体未安装支吊架导致管道在运行过程中端部承受较大的疲劳载荷，从而引发开裂事故。针对此次事故提出相应的预防措施，对同类型机组及今后安全生产起到了借鉴性作用。