电站锅炉主蒸汽管道常用材料对比研究

电站锅炉主蒸汽管道常用材料对比研究

邹莹

武汉锅炉股份有限公司 湖北 武汉 430205

摘要：随着经济和科技水平的快速发展，在大型电站锅炉汽水系统中，主蒸汽管道的作用是向汽轮机输送参数、品质合格的驱动蒸汽，其设计范围是从锅炉过热出口至汽轮机主汽门进口。主蒸汽管道由于介质参数高、流量大、管道造价高，在电站锅炉汽水系统的设计中占居十分重要的地位。主蒸汽管道设计参数（设计温度、设计压力）的选择，在不同地区的设计标准中的规定也有一定的区别。目前中国设计的国外电厂项目，主蒸汽管道设计参数的选择，一般参照ASME（美国机械工程师协会）标准进行选择，也有经业主同意后采用中国标准的案例。但是随着中国电力建设的海外项目逐步走出东南亚、非洲等传统市场，向欧美等发达国家地区拓展，相关工程也有采用欧洲标准或国际标准的要求。

关键词：主蒸汽；焊口；断裂

引言

在电站锅炉机组中疏水管道均与主管道直接相连，主要用于将管道中的冷凝水排放到管道外，以防止液态水突然汽化导致管内压力突变，电站锅炉厂高温蒸汽管道的疏水管路上一般依次布置有一组手动疏水阀和一组自动疏水阀，手动疏水阀在运行过程中一般保持常开状态，使得自动疏水阀前管段内的介质与主管道直接相通，承受着与主管道相同的温度压力载荷。因为疏水管道的各种特性，造成疏水管道开裂、爆管类事故频发，成为危及机组稳定运行的重要隐患点。

1原因分析

（1）主蒸汽管道主体材质12CrMoVG属于低合金耐热钢，由于碳含量和合金元素较多，焊缝及热影响区容易出现淬硬组织，使塑性、韧性降低，焊接性变差，当焊件刚度及接头应力较大时，容易产生裂纹，焊后热处理过程中，也可能产生再热裂纹。主蒸汽阀门材质ZG20CrMoV刚性大，几何形状复杂，冷却速度快，焊接时会产生较大的拘束应力，容易产生冷裂纹。（2）管系和焊缝结构设计的不合理而产生的应力有助于疲劳裂纹的扩展。阀门与直管对接处存在明显的变径过渡区域，变径区域角度较大，造成局部的应力集中，裂纹几乎扩展为贯穿性缺陷；（3）主蒸汽母管运行达9万小时，期间经历多次检修，由于检修期管道温度已降至室温，阀门开启后，大量高温蒸汽快速进入管道内，会产生大量冷凝水，被高速流动的蒸汽混合，冷凝水会在管道内高速流动，冲击阀件、弯头等应力集中及管道的“薄弱”部位。

2预防处理措施

2.1中压段稳压吹管

超长蒸汽管道吹扫过程中，高压段压力波动范围8-11．5MPa，温度540℃，减温减压器后压力2．6-2．96MPa(减压调门开至最大)，温度460℃，流量根据化学用水量统计为70-85t/h(考虑为避免超长管路水击而保持一定开度的后段疏水，采用保守计算流量为60～65t/h)，每次吹扫时间不小于15min，反复进行。吹管参数勉强能够满足最低要求，吹扫所需时间较多。因此，采用长时间连续吹管(最长时间3h)，需尽量稳定吹扫压力。吹扫蒸汽压力等级越高，效果较好。在吹管开始及结束阶段(不考虑暖管时间)，由于供热流量影响主机的蒸汽流量，且主机AGC运行方式投入，造成投运及退出操作时间较长(投运时最长1h)。因此在打靶时，必须与锅炉提前协商，密切配合，缩短打靶时间至合格时间。

2.2主蒸汽管道压降的计算

《管规》针对主蒸汽压力取值的第二项规定是汽轮机主汽门进口处设计压力加主蒸汽管道压降。如按此条款计算主蒸汽管道设计压力，则应首先计算出主蒸汽管道的压降值，再与主汽门进口处设计压力相加得出主蒸汽管道设计压力。但在实际的工程设计中：(a)首先应确定主蒸汽管道的设计压力，因为设计压力是选取主蒸汽管道规格的前提条件，而当主蒸汽管道规格确定后，才能进行压降值的计算，当计算出的压降值不符合要求时，再返回上一步调整主蒸汽管道规格，再计算压降至合格为止。即在实际的工程设计中，往往是先确定设计压力，再计算管道压降。但按照此条款，主蒸汽管道设计压力又受到管道压降的制约，这与实际的设计习惯不符。(b)在实际的工程设计中，为了提高机组热经济性，往往将主蒸汽管道的压降控制在5%之内。因此，基本上国内所有的超超临界机组在进行主蒸汽管道设计压力计算选择时，都取汽轮机主汽门进口处设计压力的105%。

2.3现场检查

现场调查得知该疏水阀为前次大修时新更换的产品，截至事故发生时机组刚运行10天，疏水阀由阀体和焊接接管座组成，查阅产品说明书得知疏水阀阀体设计材质为F91、外径87mm，接管座设计材质为P91、规格Φ57×9mm，现场采用ARL8860型直读式光谱仪对该疏水阀材质进行了复核，检查结果显示各检测部件材料化学成分正常、材质无误。现场观察可知断裂位置为阀体和自带焊接短管之间的焊缝，为厂家制造焊缝，焊接型式为不同管径间的管与管角焊缝模式，为非全焊透结构，现场观察断裂面，呈整体撕裂脆性断裂，检查发现短管未打坡口，焊接的有效面积明显小于短管壁厚，焊接工艺及焊接质量不符合DL/T869-2012《电站锅炉焊接技术规程》的相关要求，初步判断为焊接强度明显不足，导致焊缝整体断裂。

2.4检测结果、整改措施和建议

经外观检查、厚度检测和强度计算、光谱分析、金相组织检查、表面无损检测，弯头1～弯头4及直管段未发现明显异常，管材使用正确且无过度老化现象，可以继续使用。对发生爆裂弯头进行更换，使用正确材料，并使用前对材料进行复验，采用合格的焊接工艺进行弯头2条对接焊缝进行焊接，焊后按DL/T819—2010《电站锅炉焊接热处理技术规程》进行焊后热处理，并按NB/T47013—2015《承压设备无损检测》的要求进行埋藏缺陷检测。1）锅炉运行时司炉工应增加巡查次数，防止锅炉主蒸汽管道超温超压。利用机组停运时机，不定期对本次新更换主蒸汽管弯头和焊缝进行宏观自检。2）在锅炉定期检验时，要求锅炉检验机构将汽机房内的主蒸汽管道弯头作为重点检验部位进行宏观、微观检查和无损检测。3）必要时（如主蒸汽管再出现鼓胀变形、焊缝裂纹甚至泄漏等）应请设计单位对主蒸汽管道重新进行管道系统进行应力计算，并对管道系统支吊架进行检查和调整，确保管道系统应力在许用范围内。

结语

随着电站锅炉参数的逐步提高，主蒸汽管道长期在高温、高压状态下运行，其安全可靠性尤为重要。使用单位及检验单位应提高管道安全的重视程度，加大管道的监控力度，为锅炉运行提供安全保障。主蒸汽管道作为电站锅炉汽水系统中最重要的管道系统，其设计参数的选择，在不同国家的设计标准中有不同的规定。对于主蒸汽管道设计压力，在管道安装阶段，一定要注意控制焊接预热温度和层间温度，严格遵守热处理规定，并在焊后24h后进行100%无损检测及硬度检查，保证焊接质量；对于阀门与直管焊接的部位，为避免应力集中和结构的不连续性，应保证变径区圆滑过渡；对运行较长的管道，应合理安排减少启停次数，加强对阀门、弯管、变径等薄弱部位的监控，在锅炉检修期间，对薄弱部位增加磁粉和超声波检测，预防裂纹等危害性缺陷。

参考文献

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[3]姚兵印，李太江，康豫军，等.除氧头接管座焊缝开裂分析及修复[J].热力发电，2020，39（07）：98-100.