一例20鋼主蒸汽管道選材分析與壽命評估

1、一例20鋼主蒸汽管道的選材分析與壽命評估國網(wǎng)能源伊犁煤電有限公司李江勇 陳旭東摘要：本文通過闡述國網(wǎng)能源伊犁煤電有限公司（原伊犁第二火 電廠）針對機(jī)組主蒸汽管道材質(zhì)不符合規(guī)程DL/T 612-1996材料使 用溫度上限，而且部分焊縫存在魏氏組織的情況，開展了主蒸汽管道 壽命評估及焊縫材質(zhì)狀態(tài)評價(jià)等工作，取得了結(jié)論并取得了一定的工 作經(jīng)驗(yàn)，為機(jī)組安全生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)，可供存在相同情況的同類 型電廠借鑒。關(guān)鍵詞：主蒸汽管道材質(zhì)魏氏組織壽命評估焊縫材質(zhì)狀態(tài)評價(jià)前言：國網(wǎng)能源伊犁煤電有限公司（原伊犁第二火電廠）始建于 1996年9月16日，現(xiàn)安裝有兩臺25MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，#1、 #2機(jī)組分別

2、于1998年11月和1998年12月正式并網(wǎng)投產(chǎn)發(fā)電，兩 臺鍋爐為四川鍋爐廠生產(chǎn)的CG-130/3.82-M12型煤粉爐，鍋爐設(shè)計(jì) 主蒸汽壓力P=3.82MPa、主蒸汽溫度t=450oC，設(shè)計(jì)主蒸汽管道材 質(zhì)為20鋼。一、問題的提出：2007年底，新疆電力行業(yè)技術(shù)監(jiān)督年終監(jiān)督檢查中，金屬 監(jiān)督檢查提出“主蒸汽管道材質(zhì)不符合規(guī)程電力工業(yè)鍋爐壓力容 器監(jiān)察規(guī)程（DL/T 612-1996 ）關(guān)于材料使用溫度上限”的問題， 其原因是依據(jù)電力工業(yè)鍋爐壓力容器監(jiān)察規(guī)程（DL/T612-1996 )第7.4條關(guān)于鍋爐、壓力容器及管道常用金屬材料選 用規(guī)定：材質(zhì)為20鋼的管材作為聯(lián)箱、蒸汽管道時(shí)要求壁溫 4

3、25C。而我公司機(jī)組主蒸汽管道材質(zhì)為20鋼，鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù) P=3.82MPa、t=450C,配套汽輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù) P=3.43MPa、t=435C, 主蒸汽參數(shù)通常保持在 435440C,管道壁溫已超出了 DL/T 612-1996規(guī)定的材料適用溫度范圍。關(guān)于主蒸汽管道材質(zhì)選用的問題，經(jīng)咨詢我公司機(jī)組原設(shè)計(jì)單位 新疆電力設(shè)計(jì)院，答復(fù)我公司機(jī)組主蒸汽管道設(shè)計(jì)定稿時(shí)間為1996 年3月，當(dāng)時(shí)火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(DL/T 5054-1996 ) 尚未出版(1996年5月份出版，于1996年10月實(shí)行)，設(shè)計(jì)時(shí)所 執(zhí)行的汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)程為火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(DLGJ 23-81

4、)，該標(biāo)準(zhǔn)中第1.5條管材鋼號及其推薦使用溫度規(guī)定： 20鋼的推薦使用溫度在-20450C，如下：表n常用管材鋼號及其推薦使用溫度鋼種鋼號椎薦使用鼎度(C)允許的上限溫度CC)務(wù)普福碳素鋼A3FA3, A3g-20-300250350憂質(zhì)碌素鋼1030-20440450詢目前有效的1996版火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(DL/T 5054-1996 )第2.04條管子材質(zhì)對20鋼推薦使用溫度調(diào)整至-20 425C，其允許上限溫度為430C。而通過查閱蒸汽鍋爐安全技術(shù) 監(jiān)察規(guī)程(勞部發(fā)1996276號)，第23條關(guān)于鍋爐受壓元件金 屬材料選用規(guī)定：20鋼在用于受熱面管子時(shí)壁溫480 ;在用于集

5、 箱、蒸汽管道時(shí)壁溫4301。所以，我公司機(jī)組主蒸汽管道材質(zhì)不符合規(guī)程DL/T612-1996材 料使用溫度上限的主要原因，是由于設(shè)計(jì)規(guī)程的改版和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提 高造成。同時(shí)，我公司了解到，新疆境內(nèi)更早期或同期投產(chǎn)的同類型 中溫中壓機(jī)組中，大多存在這種設(shè)計(jì)問題。另外，近幾年我公司在結(jié)合機(jī)組大修開展的鍋爐內(nèi)外部檢驗(yàn)和金 屬檢驗(yàn)中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道焊縫組織中均存在過熱組織一魏氏組 織。該組織將造成金屬材料韌性下降、脆性上升，會使焊縫的強(qiáng)度下 降。分析其產(chǎn)生的原因，應(yīng)該是在安裝焊接過程中由于環(huán)境溫度、焊 接工藝和熔池溫度等控制不當(dāng)造成的。新疆電力科學(xué)研究院建議進(jìn)行 熱處理恢復(fù)，或者對存在魏氏組織的焊

6、口全部割開、打磨除去熱影響 區(qū)后重新進(jìn)行焊接，但我公司多次與包括原安裝單位新疆電力安裝公 司等有熱處理能力的單位進(jìn)行聯(lián)系后，由于沒有成熟、規(guī)范的熱處理 工藝等原因，熱處理工作始終未能進(jìn)行，割開焊縫重新焊接的方案也 因工作量及費(fèi)用較大，上級公司未予批準(zhǔn)。因此，主蒸汽管道焊縫過 熱組織問題也成為威脅我公司機(jī)組安全運(yùn)行的一大隱患。綜合以上兩方面原因，為準(zhǔn)確掌握主蒸汽管道及焊縫材質(zhì)狀況， 確保機(jī)組安全生產(chǎn)，我公司決定委托權(quán)威的檢測機(jī)構(gòu)對兩臺機(jī)組主蒸 汽管道進(jìn)行取樣檢驗(yàn)和壽命評估，以判斷目前主蒸汽管道的實(shí)際安全 狀況，為制定下一步處理方案提供依據(jù)。二、應(yīng)對措施的制定及壽命評估方案的確定：因考慮機(jī)組運(yùn)行經(jīng)

7、濟(jì)性和安全性，通過熱力試驗(yàn)計(jì)算對比，如將 主汽溫度降至4251，我公司汽輪機(jī)熱效率將下降0.47個(gè)百分點(diǎn)， 影響供電煤耗指標(biāo)2.14克/千瓦時(shí)。同時(shí)，還會造成汽輪機(jī)末級葉片 汽蝕加劇，考慮機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性，所以未采取降參數(shù)運(yùn)行的 方式。在此期間，我公司對主蒸汽管道進(jìn)行了監(jiān)督運(yùn)行，制定、下發(fā)了 有關(guān)#1、#2機(jī)組主蒸汽管道監(jiān)督運(yùn)行的通知，對日常設(shè)備巡視的注 意事項(xiàng)、機(jī)組啟停過程中操作的規(guī)范、運(yùn)行過程中防止超溫超壓措施、 加強(qiáng)鍋爐及金屬檢驗(yàn)等進(jìn)行了規(guī)定；同時(shí)，又印發(fā)了主蒸汽管道泄 漏、爆破應(yīng)急預(yù)案，對可能存在的泄漏、爆破等風(fēng)險(xiǎn)制定了相關(guān)應(yīng) 急措施，并組織進(jìn)行了應(yīng)急演練。三、壽命評估方法、步驟

8、和實(shí)施過程：目前發(fā)展的高溫設(shè)備壽命評價(jià)方法,其條件是根據(jù)其歷史的運(yùn)行 情況和現(xiàn)狀以及在電網(wǎng)中的地位，建立在材料的力學(xué)性能試驗(yàn)、材料 高溫持久強(qiáng)度、外觀無損檢驗(yàn)、顯微結(jié)構(gòu)表征和應(yīng)力分析等一系列工 作基礎(chǔ)之上,采用宏觀性能、微觀結(jié)構(gòu)和可能的失效機(jī)理相結(jié)合的評 估方法，取得比較安全可靠并符合工程實(shí)際的結(jié)果。機(jī)組部件壽命評 估的步驟采用三級評估法。I級評估為基本評估；II級評估為較精確評 估。當(dāng)I級評估的部件壽命小于部件已運(yùn)行的時(shí)間時(shí)進(jìn)行II級評估；III 級評估為精確評估。當(dāng)II級評估的部件壽命小于部件已運(yùn)行的時(shí)間時(shí) 進(jìn)行III級評估。2011年10月和11月 我公司結(jié)合#1機(jī)組C修和#2機(jī)組A修，

9、委托西安熱工院對#1、#2機(jī)組主蒸汽管道進(jìn)行壽命評估和焊縫材質(zhì) 狀態(tài)評價(jià)工作，壽命評估依據(jù)DL/T654-2006火電機(jī)組壽命評估技 術(shù)導(dǎo)則進(jìn)行，結(jié)合我公司實(shí)際情況，采用的是II級評估，為較精確 評估。II級評估分為四個(gè)階段：1、現(xiàn)場資料的收集，包括機(jī)組和部件的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn) 行、歷次檢修及對關(guān)鍵部位的檢驗(yàn)與測試記錄、事故工況、超溫超壓 記錄、冷熱態(tài)啟停次數(shù)、更新改造等資料。2、設(shè)備現(xiàn)狀檢查，在對該機(jī)組評估部件進(jìn)行全面性的普查，包 括部件材料性能的選取與獲得、部件受力分析、由材料的微觀狀態(tài)評 價(jià)材料的老化損傷。現(xiàn)場檢測抽取35段主蒸汽管段（約主蒸汽管總長 度的40% ,其中包括直管段、彎

10、頭/彎管、三通）進(jìn)行宏觀檢查、壁厚 測量、硬度測量、彎管圓度測量、金相組織檢驗(yàn)等。3、應(yīng)力解析法評定壽命，根據(jù)現(xiàn)場檢驗(yàn)的情況，割取兩段（1、 2號爐各一段）服役條件最苛刻的部位取樣進(jìn)行相關(guān)的材料性能試 驗(yàn)，割管取樣進(jìn)行性能分析試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括化學(xué)成分分析，微觀 組織分析、硬度值測量（均為縱向、橫向，同時(shí)在180度方向各取一 組試樣）；常溫拉伸性能試驗(yàn)、高溫拉伸性能試驗(yàn)、室溫沖擊性能試 驗(yàn)（均為縱向、橫向），F(xiàn)ATT試驗(yàn)（約10個(gè)溫度點(diǎn)，3樣/點(diǎn)）等內(nèi)容。4、綜合評估，經(jīng)現(xiàn)場檢測和性能試驗(yàn)，提出綜合評估結(jié)論。四、壽命評估及焊縫材質(zhì)狀態(tài)評價(jià)的結(jié)論：經(jīng)現(xiàn)場檢測和試驗(yàn)室性能試驗(yàn)，綜合評估結(jié)論如下：主蒸汽管道部分焊縫存在魏氏組織，且大多集中在焊縫表面 1-2mm處，其中最嚴(yán)重的部位評為3級；組織未見明顯球化現(xiàn)象， 球化評為23級；母材與焊縫各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 西安熱工研究院電站材料技術(shù)部評價(jià)結(jié)論為：母材材質(zhì)狀況正常，焊 縫各項(xiàng)性能指標(biāo)均正常，組織中的魏氏組織未對焊縫性能產(chǎn)生明顯影 響，#1、#2機(jī)組主蒸汽管道可在現(xiàn)有的運(yùn)行參數(shù)下繼續(xù)運(yùn)行兩個(gè)大 修期。五、結(jié)束語：火電機(jī)組的安全運(yùn)行一直是電力生產(chǎn)中最為關(guān)注的問題，與機(jī)組 的安全性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。在火力發(fā)電生產(chǎn)工藝中，因?yàn)橹髡羝?道內(nèi)部為高溫高壓蒸汽，且直徑、壁厚尺寸均較大，一旦發(fā)生爆破等 事件，后果將