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云浮发电厂高压导汽短管裂纹原因分析及整改措施 |
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| 云浮发电厂高压导汽短管裂纹原因分析及整改措施 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 10:30:46  |
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云浮发电厂高压导汽短管裂纹原因分析及整改措施
岑建培1 陈瑞龙1 莫乾凯1 钟万里2
1．云浮发电厂，广东云浮527328；2．广东省电力试验研究所，广东广州510600
云浮发电厂汽轮机系上海汽轮机厂制造的N125－135／535／535型的汽轮机，2号机组于1991年12月12日正式投产，已累计运行时间52 906h，启停次数144次。
1995年3月19日3号高压导汽短管运行过程中突然断裂，由于及时采取果断措施，避免了严重后果的发生。断口处在短管侧焊缝热影响区上，扩大检查所有高、中压导汽管焊缝，又发现2号高压导汽短管侧焊缝热影响区上存在一条约长230mm，深16 mm的裂纹。事故发生后，汽机高、中压导汽管一直作为云浮发电厂金属技术监督跟踪的重点。1996年10月机组第二次大修时，又对高、中压导汽管所有焊缝进行表面渗透探伤，未发现裂纹。1998年10月小修时对4号高压导汽短管焊缝进行表面渗透探伤，也未发现裂纹。1999年12月第三次大修时，对高、中压导汽管所有焊缝进行表面渗透探伤，发现上缸两个高压导汽短管靠短管侧热影响区表面有裂纹。
1 检验与分析
1.1 化学成分分析和机械性能检验
化学成分分析和机械性能检验结果见表1，短管母材化学成分符合ZG15Cr1 Mo1 V(JB3285)要求，短管与导汽管焊接属于异种钢焊接(ZG15Cr1 Mo1 V/12Cr1 Mo1V),选用R307焊条，焊缝化学成分正常。短管母材的σs，σb和δ基本符合要求，但σk明显偏低。
1.2 外观检查
导汽短管（图1）外表面呈棕褐色，内表面上布满一层均匀的钝化膜。导汽短管与导汽管对接焊缝外表面经打磨后进行表面渗透探伤，发现靠短管侧的热影响区上有几条周向裂纹，见图2。
在导汽短管纵剖面做酸浸宏观检查，可见裂纹处在热影响区，见图3。
对导汽短管几何尺寸进行测量，总体尺寸与设计图一致，但短管颈部起弧点同图纸不同，见图4，虚线为设计图短管颈部的外型，两者相差很大。
1.3 断口分析
1.3.1 裂纹断口宏观分析
将导汽短管焊趾处的裂纹压开检验，发现裂纹区断口呈黑色，其扩展前沿呈弧形 ，上面有明显的裂纹扩展休止线，具有疲劳断裂的特征，见图5。
1.3.2 裂纹断口微观分析
在裂纹断口区虽无明显的疲劳辉纹，但可见明显的裂纹扩展线和小而浅的塑坑，这是大应力疲劳断口微观特征，见图6。
1.3.3 母材断口微观分析
短管颈部的母材超载断裂区为沿晶和解理混合型断裂，见图7。一般来说,ZG15Cr1 Mo1 V超载断裂区应为穿晶和解理混合型断裂，考虑材质已运行过一段时间，组织有一定的变化，断裂形式也将会变化，为此，进一步对断口进行微区成分分析，结果如表2。微区成分分析表明：晶界上有明显的成分偏析。
1.4 金相组织
短管母材金相组织为铁素体加粒状贝氏体加沿晶分布的碳化物，晶界较宽，有偏析现象，见图8。重新正火（1 000℃）后回火（720℃），组织分布均匀，晶界窄且干净，见图9。
2 产生裂纹原因分析
在机组启停过程，由于汽缸同导汽管不可能膨胀和收缩一致，短管颈部部位受最大交变应力，所以该部位是短管的薄弱环节。而由于短管实际尺寸同设计不符，使得对接焊缝正处于颈部的起弧点，焊接热应力使该部位所受应力加大且复杂化。另一方面，短管颈部厚度的增大，势必增大短管颈部内外壁的温差，导致温差产生的热应力增大，裂纹产生于焊缝热影响区上是可以得到解释的。
从汽轮机厂了解到，汽缸的上缸短管所受的应力明显高于下缸的短管，且接近材质的屈服强度。下缸1号高压短管所受的应力最小，云浮发电厂的1号高压短管从未发现裂纹。同类型的萧山电厂两台机共发生了7次高压导汽短管开裂，但1号高压短管也从未发生裂纹。这说明了应力是产生裂纹的一个因素。
从裂纹断口宏观、微观分析可知高压短管上的裂纹是疲劳裂纹。微区成分分析、金相检验都表明组织存在明显的化学成分偏析，使材料的冲击韧性大大降低（可能由于热处理的回火温度控制不良或焊后热处理的温度过低，引起晶界变质），从而降低了材料抗疲劳强度。重新热处理后，组织得到改善，说明了偏析同短管热处理不到位是有一定关系。
综上所述，高压短管产生裂纹是高温疲劳裂纹，材料上存在成分偏析、力学性能不合格，导致了材料抗疲劳强度降低是产生高温疲劳裂纹的根本原因，短管实际尺寸同设计不符，使得对接焊缝处于应力集中处是产生疲劳裂纹的次要原因。
3 整改措施和下一步的监督
3.1 更换上缸高压短管
萧山电厂两台机先后共发生7次高压导汽短管开裂，3次是在运行中泄漏发现的；长兴电厂发生2次高压导汽短管开裂，开始都采用焊缝挖补的处理方法，但经过一段运行全都再次开裂，而后采取更换新的导汽短管处理方法，至今未发生开裂。云浮发电厂高压导汽短管再次开裂，说明了不能采用焊缝挖补的处理方法，必须更换短管。
3.2 重新进行冷紧
为降低应力，对高压导汽管系割管后重新进行冷紧，冷紧值按厂家设计要求。
3.3 调整调频支架
高压导汽管调频支架设计目的为降低导汽管的摆动，冷态检查调频支架，发现其弹簧高度大多数超过200 mm，恢复到设计安装高度值160 mm。
3.4 严格遵守焊接工艺
焊前预热温度为250～300℃，焊后进行720～750℃的高温回火热处理，短管端的焊缝恒温不小于3 h。热处理后进行100%焊缝表面渗透探伤和超声波探伤。
3.5 加强金属监督
两次大修期间应对高压导汽管焊缝抽查，进行表面探伤，重点为上缸两个短管焊缝。
4 结束语
云浮发电厂2号机高压导汽短管焊缝热影响区产生高温疲劳裂纹，材质不合格是产生疲劳裂纹的主要原因，短管焊缝处于应力集中处是产生疲劳裂纹的次要原因。高压导汽管的断裂会造成极大的危害，其它电厂同类型机组（特别是调峰机组）应加强该部位的监督。
参考文献
［1］佚名．云浮发电厂2号机高压导汽短管产生裂纹原因分析报告［R］．沈阳：中国科学院金属研究所，2000．
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