汽轮机主蒸汽管道温度保护套管裂纹处理方法研究

吴广仁 袁晓君 梁军智 戴兴东 张磊

摘 要：汽轮机主蒸汽管道温度保护套管安装涉及异种钢的焊接工艺，若焊接工艺不合理，在长时间运行后会因为交变应力造成疲劳断裂问题。本文针对某机组主蒸汽温度套管裂纹问题展开分析，探讨了造成套管裂纹的主要原因：异种钢焊接、选材及工艺执行不当，使得保护套管经历长周期运行后产生裂纹并扩张。根据上述分析，组织编制焊接修复工艺并格执行各项工艺措施。分析结果表明，该方法在优化施工工艺的同时保证了焊接位置的材料特性，为同类型异种钢焊接管座隐患排查及处理提供了可借鉴的方案。

关键词：保护套管 异种钢 焊接裂纹 主汽管道

Abstract： The install processing of the temperature protection casing on the main steam pipe of steam turbine involves the welding process of dissimilar steel. If the welding process is not reasonable， the fatigue fracture problem will be caused by alternating stress after a long operation time. In this paper， the crack problem of main steam temperature casing of a unit is analyzed， as well as the main reasons for the cracks in the casing： Dissimilar steel welding， material selection and process execution make the protective casing crack and expand after long-term operation. According to the above analysis， organize the preparation of welding repair process and implement various process measures. The analysis results show that this method not only optimizes the construction process， but also ensures the material characteristics of the welding position， which provides a reference scheme for the troubleshooting and treatment of hidden dangers of welded pipe sockets of the same type of dissimilar steel.

Key Words： Protection casing; Dissimilar steel; Weld crack; Pipe of main steam

电力生产过程中，依赖众多的测点监测设备的运行状态，并用于指导整个生产过程的安全平稳运行[1-3]。以汽轮机为例，温度、压力、振动等参数依靠传感器获取相关信息。因此，针对各重要參数的测量方法、安装工艺得到了广泛关注。以汽轮机主蒸汽管道温度测点为例，若要测量管道内蒸汽温度，需要将传感器伸入到管道内部且焊接到管道壁面上，并保证焊接位置的封闭性，这就需要相应的安装工艺保证高温高压的蒸汽不能从测点位置泄露造成安全事故[4-6]。而整个过程涉及材料、焊接、结构等多个领域，需要从多个方面展开研究分析[7，8]。有研究[9]利用试验方法对P91钢在蠕变和疲劳相互作用下的断裂特性进行研究，指出应力幅与平均应力的关系直接反映了断裂处的主要因素。余文斌等[10]分析了蒸汽管道热电偶保护套管裂纹问题，并给出了修复方法和具体的施工方案。许江晓等[11]则详细论证了修复工艺，例如对焊条型号、焊接工艺等施工工艺进行优化。邵平[12]则从管套断裂故障入手，采用金相分析等方法论述了造成断裂的主要原因，并对后期修复过程中的温度套管选型工作进行了详细的分析与论证。李鹏刚等[13]采用有限元方法分析了温度管套断裂失效原因，结果表明交变应力是造成疲劳断裂的主要因素。江银等[14]详细介绍了热电偶套管的强度校核计算方法。综合上述研究可以看出，针对主蒸汽温度套管的安装工艺已相当成熟，但如何在保证安装要求的同时进一步优化安装工艺，缩短安装时间仍值得进一步研究。

本文介绍了一起锅炉主蒸汽管道温度套管裂纹挖除更换焊接修复案例。分析认为，原焊缝属于异种钢焊接，选材及工艺执行不当，经历10余年长周期运行，产生裂纹并扩张。在机组C级检修中排查发现重大隐患，及时组织编制焊接修复工艺，严格执行各项工艺措施，焊后检验合格，避免了炉外管爆裂事故，有力保障了机组安全运行。

1裂纹问题排查及原因分析

某厂330MW燃煤发电机组运行已超过10年。2021年#1机组计划性检修过程中，安排排查主蒸汽管、再热蒸汽管道温度及压力测量套管隐患。经过排查，主蒸汽母管14m标高1处、9.66m标高3处共计4处温度计套管角焊缝发现裂纹，主蒸汽管道规格为ID368×41mm，材质为SA335-P91，属于马氏体耐热钢，温度套管规格为?38，材质为0Cr18Ni12Mo2Ti，属于奥氏体不锈钢。SA335-P91是美国ASTMA335/A335M标准中的牌号，对应国标中的10Cr9Mo1VNbN。分析认为：主蒸汽管温度套管裂纹主因是马氏体耐热钢SA335-P91与奥氏体不锈钢0Cr18Ni12Mo2Ti异种钢焊接工艺不当，产生早期失效，在长期冲刷震动中产生裂纹并扩展。此次排查的4个主蒸汽热电偶管座异种钢温度套管，都不同程度产生了裂纹缺陷。

1.1主蒸汽管道热电偶管座裂纹缺陷

4月22日在对机炉外管管座的检测中发现：编号为#1主蒸汽热电偶管座角焊缝熔合线存在1处长为50mm裂纹缺陷磁痕显示;编号为#2主蒸汽管座角焊缝熔合线存在1处长为70mm裂纹缺陷磁痕显示;编号为#3主蒸汽热电偶管座角焊缝熔合线存在2处分别长为100mm、90mm裂纹缺陷磁痕显示，见图1至图4;主蒸汽母管温度测点焊缝熔合线存在一处长20mm裂纹磁痕显示，见图5。以上缺陷均不符合《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》（JB/T 4730.5-2005）[15]中 8.2.1条“不允许任何裂纹”的要求。

2修复方案

更换的难点是挖除旧套管、焊接及热处理。

2.1旧套管挖除

挖除旧套管时，首先观察裂纹走向，都是沿原始角焊缝融合线处开裂，首先要了解原始套管焊接结构，已确定原始角焊缝深度、坡口形式。

原始套管焊接示意圖如图6所示。随后用角磨机沿原始角焊缝融合线旋转挖掏，掏挖过程中，要注意挖掏角度，尽量小地掏挖母材，如果角磨机旋转受限，要及时切换工具，深度部位采用内磨机钢磨头挖掏。挖掏时紧靠温度计套管外壁向下，注意不要切断温度计套管。在挖掏至母管厚度底部5mm附近时，要将洼窝内杂物、铁屑清理干净，注意观察，发现有环状裂纹应及时停止掏挖，使用手锤轻轻敲打套管，尝试拔起套管，如不能拔出，用钢磨头继续掏挖，直至能将旧套管拔起。将套管拔出后，立即用长600mm、?38木棒将孔洞封闭，防止异物掉入管内。

最后，依据原角焊缝的坡口形式图，对焊缝坡口进行打磨修整。采用宏观金相及磁粉检测，以确定将原始角焊缝的不锈钢材质“焊肉”彻底清除干净。

2.2焊接技术措施

2.2.1焊接材料

本次焊接材料具体参数如下所示： 主蒸汽母管管段（ID368*41  SA335-P91）;主汽温度计套管（?38  SA335-P91）;焊丝ER90S-B9;焊条E9015-B9。

2.2.2焊接方式

本次焊接过程选择手工钨极氩弧焊、手工电弧焊等焊接方法，氩弧焊具体参数设置如下。

（1）预热温度150～200℃。

（2）氩弧焊焊丝规格?2.4mm、焊接电流控制在95～105A之间、电弧电压 10～12V、焊接速度4.2～5.7cm/min。

（3）氩弧焊接1层（2层），厚度控制在2.4～3mm之间，层间温度控制在200～250℃之间。

电弧焊具体参数设置如下。

（1）预热温度200～250℃。

（2）电弧焊焊条规格?3.2mm、焊接电流控制在115～125A之间、电弧电压20～24V、焊接速度8～11cm/min。

（3）严格控制层间温度，200～250℃。

（4）多层多道焊接头应错开10～15mm，严禁同时在一处收弧。

2.2.3焊接注意事项

在焊接新套管时，首先检查管道内，确认无异物掉入，采用吸尘器将管道内的灰尘，细屑吸除干净，插入新套管。焊接前，要求焊工应按DL/T679、TSG Z6002进行培训考核，并持有相应资质的焊工担任。焊接热处理人员和焊接检验检测人员应取得相应的资格证书;对新套管及使用的焊材，进行外观质量检查、进行光谱检验材质复核。施工过程中严禁更改焊接工艺参数及焊接材料。

2.3焊接热处理[邢1]

在焊接完成后，为保证马氏体完全转变，需冷却到100℃，保温不小于1h后立即进行回火热处理。热处理过程中采用增加外壁保温宽度办法，以提高热处理过程中的内壁温度，尽量减少内、外壁温差[16]。对温度控制和记录仪表、补偿导线，热电偶等经过校验并标出系统误差值，在设定温度时扣除相应的数值。焊前根据实测温度的修正值对打点机显示的温度值应进行调整，采取各种措施减小设备系统误差。焊后热处理恒温温度：760℃×4h。焊后热处理采用柔性陶瓷电阻加热方式。热处理前，对管段进行必要的支撑加固。

3修复检验

焊接质量检查，包括外观检查、接头检查等，焊缝外观不合格，不允许进行其他项目检验。焊接接头经外观检查合格方可进接热处理，热处理后进行无损检验。

4.结语

本文对某机组主汽管道温度套管异种钢焊接产生的裂纹事故进行分析，并制定了相应的修复措施，得出如下结论。

第一，采取相同材质，降低了焊接难度，化解异种钢焊接因施工工艺不当产生缺陷风险。

第二，全程严格监督执行焊接工艺措施，为一次成功奠定了基础。

新更换套管均满足安全要求，为今后类似隐患排查及消除提供了可以借鉴的成功案例，值得推广。

参考文献

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[14] 江银，吴炎召，张锴，等.浅析火力发电厂主蒸汽管道热电偶套管的强度计算[J].山东工业技术，2015（8）：49.

[15] JB/T 4730.5-2005，承压设备无损检测 第5部分：渗透检测[S].

[16] 朱平.不同焊后热处理保温温度对P91钢窄间隙焊接头性能的影响[J].焊接技术，2021，50（9）：59-62.[邢2]

作者简介：吴广仁（1968—），男，本科，高级工程师，主要从事火电机组生产管理工作。

袁晓君（1981—），男，本科，工程师，主要从事火电机组生产管理工作。