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          電站鍋爐主蒸汽管道中噴嘴流量計的檢驗檢測方法探討

          來源: 山東省特種設備檢驗研究院臨沂分院 作者:莊國華 張德超 孫 磊 發布日期:2020-06-24 11:00:37

          摘 要 本文主要針對電站鍋爐主蒸汽管道中使用的噴嘴流量計進行檢驗檢測方法的探討,總結了市監特函〔2018〕515 號函 [ 1 ] 中對流量計的具體要求,介紹了目前電站鍋爐主蒸汽管道中常用的噴嘴流量計類型,分析探討了噴嘴流量計的檢驗檢測方法以及實際檢驗過程中遇到的問題和案例,對電站鍋爐主蒸汽管道中使用的噴嘴流量計有更好的了解,對其今后的檢驗檢測工作有一定的幫助。

           
                  自國家市場監管總局辦公廳于2018 年7 月 3 日下發市監特函〔2018〕515 號函之后,在電站鍋爐范圍內管道的安裝監督檢驗及定期檢驗工作中,對主蒸汽管道中使用的噴嘴流量計的檢驗檢測工作有著重要的指導意義。在湖北當陽矸石電廠事故之后,對主蒸汽管道中流量計的檢驗檢測工作逐漸開始重視。噴嘴流量計的設計制造相對比較成熟,但是缺少監管,缺少其檢驗檢測方法的研究。市監特函〔2018〕515 號函下發之前,電站鍋爐主蒸汽管道中使用的流量計大部分沒有經過制造過程監督檢驗,本文主要針對電站鍋爐主蒸汽管道中使用的噴嘴流量計進行檢驗檢測方法的探討。
           
          1 噴嘴流量計的工作原理
                  噴嘴流量計屬于節流式流量計,如圖 1 所示,主要由節流裝置和差壓計組成的流量測量儀表,由三部分組成:
                  (1)將被測流體的流量轉換成差壓信號的節流裝置,包括節流元件、取壓裝置、前后測量管,節流元件是在直線管道中,使流束產生收縮的裝置[2] ;
                  (2)傳輸差壓信號的信號管路;
                  (3)測量差壓值的差壓計或差壓變送器及顯示儀表[3] 。
          節流式流量計組成示意圖
                  其工作原理是滿管的流體流經管道內的節流裝置,流束在節流元件處收縮,則流速增加,據能量守恒定律和流動連續性方程[4] ,動壓能和靜壓能在一定條件下可以互相轉換,流速加快的結果必然要導致靜壓能的降低,因而在節流元件的前后產生了靜壓力差(或稱差壓)[5] 。流體的流速愈大,在節流元件前后產生的差壓也愈大,所以可通過測量差壓來衡量流體流過節流裝置時的流量大小[6] ,其原理圖,見圖 2。
          節流式流量計工作原理圖
          2 主蒸汽管道中常見的噴嘴流量計類型
                  在電站鍋爐主蒸汽管道中,我們常見到的流量計,以ISA1932 噴嘴流量計和長徑噴嘴流量計為主。ISA1932 噴嘴流量計主要由一個標準噴嘴、兩支取壓管、兩個環式短節對接焊接而成,如圖 3、圖 4 所示。
          ISA1932 噴嘴流量計結構示意圖ISA1932 噴嘴流量計檢驗實物圖
                  長徑噴嘴流量計主要由一個長徑噴嘴、定位銷、支承環、兩支取壓管、測量管道組成,如圖 5、圖 6 所示。
          長徑噴嘴流量計結構示意圖長徑噴嘴流量計檢驗實物圖
          3 市監特函〔2018〕515號函中對流量計的具體要求
          3.1 設計制造的主要要求
                  根據市監特函〔2018〕515 號函的要求,電站鍋爐主蒸汽管道中使用的流量計應按照標準規范的要求進行制造監督檢驗,未經過制造監督檢驗的流量計不能用于主蒸汽管道中。流量計的殼體應為整段式;若采用中間存在環焊縫的對接焊接式流量計,須經過設計鑒定機構的同意。
           
          3.2 未實施制造監檢的元件組合裝置(減溫減壓裝置、流量計(殼體)、工廠化預制管段,下同)的具體要求
                  對于在建電站鍋爐,應當由建設單位委托具有相應資質的電站鍋爐檢驗機構對元件組合裝置的制造焊接接頭補充檢驗檢測,包括對接接頭 100%射線或 100%超聲檢測、角接接頭100%表面檢測,對合金鋼材質對接接頭還應當進行100%化學成分光譜分析、硬度檢測,必要時進行金相檢驗,其檢驗報告等作為鍋爐技術資料進行存檔[7] 。未經以上檢驗檢測合格并出具補充檢驗檢測報告的,監檢機構不得出具鍋爐安裝監督檢驗合格證書[7] 。
           
                  對于在用電站鍋爐,使用單位應當結合鍋爐檢修,委托經核準的檢驗檢測機構對元件組合裝置的制造焊接接頭參照上述要求進行檢驗檢測并保存檢驗報告。若發現存在隱患應當及時處理,否則不能投用。
           
          3.3 存在安全隱患的流量計殼體的具體要求
                  (1)核查所用流量計的設計資料和質量證明文件(包括元件組合裝置的制造監督檢驗證書)等出廠資料是否齊全,并按照要求進行補充檢驗檢測,包括對接接頭100%射線或 100%超聲檢測,角接接頭 100%表面檢測,對合金鋼材質對接接頭還應當進行 100%化學成分光譜分析、硬度檢測,必要時進行金相檢驗。
                  (2)對于檢驗檢測不合格或者存在結構不合理、材料錯用、存在異種鋼焊接環縫的流量計殼體,應當立即更換滿足符合規定的流量計。
           
          4 噴嘴流量計檢驗檢測方法探討
                  在市監特函〔2018〕515 號函發布之前,大部分電站鍋爐主蒸汽管道中使用的噴嘴流量計都未經過制造過程監督檢驗,所以使用單位應當結合鍋爐檢修,委托經核準的檢驗檢測機構對所用的流量計的制造焊接接頭進行補充檢驗檢測。針對此情況,本文主要對主蒸汽管道中常見的兩種噴嘴流量計的檢驗檢測方法進行分析探討。
           
          4.1 ISA1932 噴嘴流量計檢驗檢測方法探討
                  此種流量計一般建議更換,按照市監特函〔2018〕515號函的要求,未經制造監檢的該種流量計應進行補充檢驗檢測,包括對接接頭 100%射線或 100%超聲檢測,角接接頭 100%表面檢測,對合金鋼材質對接接頭還應當進行100%化學成分光譜分析、硬度檢測,必要時進行金相檢驗。在用的 ISA1932 噴嘴流量計,由于結構原因,目前很難進行有效的補充檢測,一般建議使用單位更換。主要原因是ISA1932 噴嘴流量計結構獨特,環室短節與噴嘴配合尺寸長度過小、厚度相差大、掃查寬度不足、取壓管位置受限,常規射線和超聲檢測很難有效對該流量計殼體中間的對接環焊縫進行100%射線或100%超聲檢測,具體分析如下:
           
          4.1.1 超聲檢測分析
          (1)常規超聲 B 級檢測
                  按照NB/T 47013.3-2015 超聲B級檢測時,檢測范圍應覆蓋所檢焊縫,且保證足夠的探頭掃查寬度,見圖 7。
          探頭掃查寬度示意圖
                  某電廠此種流量計對接焊縫處的厚度約 25mm(見圖8),管道規格 273 × 11,屬于I型焊接接頭,應選擇K值范圍為 2.0-3.0 的探頭,根據工程實踐經驗,一般選擇 K 值為2.5 的探頭,則掃查區域應大于或等于 1.25P=1.25 × 2 ×2.5×25=157mm,但該流量計實際掃查區域只有55mm左右(見圖 9);若選擇符合要求的非常小 K 值探頭 K2 探頭時,掃查區域1.25P=1.25×2×2×25=125mm,仍然遠遠大于實際的掃查區域;即使選擇非常極端的 K1 探頭,實際掃查寬度仍然不能滿足要求,所以一次波有盲區,二次波掃查寬度不足,常規超聲檢測不能覆蓋整個檢測區。經過實際現場調查,我市大部分電廠的此種流量計都是這種情況,掃查區域受限制,其次取壓管(見圖 9)附近的焊縫也很難進行超聲檢測,所以常規超聲B級檢測很難有效達到100%檢測。
          ISA1932 噴嘴流量計截面實測圖ISA1932 噴嘴流量計長度測量
          (2)常規超聲 C 級檢測
                  某研究機構建議按照 NB/T 47013.3-2015 超聲 C 級進行檢測,首先將對接焊接接頭余高磨平,用小晶片測厚儀確定其內部結構,然后用直探頭對流量計母材及焊縫區域進行檢測,用斜探頭選擇單面雙側一次波檢測,探頭盡量選擇較大 K 值探頭。這種方法缺陷檢出率相對比較高,根據波形波幅變化、缺陷位置可以檢測出未焊透、未熔合等缺陷,但是該方法也不能有效做到100%檢測,如圖9所示,取壓管附近的焊縫是很難進行超聲檢測的。
          (3)其他超聲檢測方法
                  現有研究機構正在利用TOFD、相控陣技術對該種流量計進行檢驗檢測研究,給我們的檢驗檢測工作帶來新的啟發和指導,而且TOFD和相控陣技術的靈敏度和缺陷檢出率都非常的高。
           
                  根據該電廠提供的流量計設計資料進行分析,若用TOFD掃查,需采用10M、3mm 的探頭、70 度楔塊,掃查方式應選擇非平行掃查、兩側各一次偏置非平行掃查,焊縫兩側掃查面寬度應準備 60mm 以上,但實際掃查寬度只有55mm 左右,很難有效完成 100%檢測;其次,該種在用流量計的取壓管布置在兩側環式短節的中間位置,此位置有角焊縫、對接焊接接頭、取壓管,如圖 9所示,而且TOFD 檢測采用一發一收探頭對工作模式,如圖10、圖 11 所示,很難有效布置探頭,而且不易檢出橫向缺陷,很難有效完成100%檢測。
          TOFD 典型設置示意圖TOFD 焊縫檢測示意圖
                  相控陣成像技術可以說是我們檢驗檢測的一項福利,效率高、缺陷定位準確、檢測靈敏度高、檢測結果直觀、重復性好、可實時顯示等。但是,對于該電廠此種流量計的檢驗檢測也很難有效做到100%檢測,其結構獨特,尤其是取壓管附近的對接焊接接頭,并且目前國內還沒有確切的缺陷評定標準,缺陷的評定由合同雙方商定,或參照有關常規超聲標準,所以該種流量計在制造環節過程中應加強對中間對接環焊縫的監管,這也說明了對其進行制造監檢的必要性。
           
          4.1.2 射線檢測分析
                  根據某電廠提供的設計圖紙和出廠證明資料,此流量計內部存在節流元件且內部結構獨特,見圖 3、圖 12、圖13,常規射線 AB 級檢測很難實現檢測任務,取壓管附近也無法布片,筆者拍射的底片上基本上沒有影像。
          ISA1932噴嘴流量計剖開圖 流量計中間環焊縫射線檢測現場
          4.1.3 結論
                  此種流量計從各方面成本來考慮,一般建議更換。首先很難對其中間對接環焊縫完成 100%補充檢測;其次若流量計殼體檢測出超標缺陷,使用單位需要協調停爐,待主蒸汽管道降到適當溫度后將該流量計從管道系統中解列,然后聯系制造廠家維修流量計,再聯系安裝公司將流量計恢復到原狀態,這期間涉及到使用單位、制造單位、安裝單位、檢驗機構等之間的協調溝通以及鍋爐停產后的影響,這種方法周期太長,企業付出成本太高,安全隱患持續時間太長,遇到此種流量計或者此種流量計殼體檢測出超標缺陷的情況,一般建議更換。首先企業對該流量計做好監控措施,同時盡快聯系訂購符合要求的流量計適時更換安裝,盡可能的減少各方面的成本,以及停爐帶來的影響,及時消除安全隱患。
           
          4.2 長徑噴嘴流量計檢驗檢測方法探討
                  此種流量計可以進行補充檢驗檢測,按照市監特函〔2018〕515號函的要求,檢測項目只有角接接頭100%表面檢測。在實際的檢驗檢測過程中發現此種流量計的噴嘴定位銷及焊縫表面存在裂紋或者開裂的現象,其案例如下:
           
          案列一 定位銷開裂泄露
           
                  某電廠主蒸汽管道流量計定位銷開裂泄露,保溫棉已穿透,保溫鐵皮內表面銹蝕腐蝕嚴重,見圖 14,此段主蒸汽管道的位置與湖北當陽矸石電廠事故管道所處的位置相似,在主控室附近。
          某電廠定位銷開裂泄露
          案例二 定位銷焊縫表面裂紋
                  某電廠主蒸汽管道流量計定位銷焊縫表面有裂紋,打磨約 0.5mm 后,裂紋消除,磁粉復探合格[8] 。根據裂紋特征,應是制造時引起的弧坑裂紋,見圖 15。
          某電廠定位銷焊縫表面裂紋
          結論:此種流量計在檢驗檢測過程中,不僅僅要對角接接頭進行 100%表面檢測,還要注意以下兩點:
                  (1)對該流量計噴嘴的定位銷及其焊縫表面進行表面無損檢測,觀察有無裂紋或者開裂現象。
                  (2)對該流量計噴嘴的定位銷及焊縫表面進行光譜分析和硬度檢測,確認定位銷的材質、使用的焊材和焊后熱處理是否符合設計要求。
          5 總 結
                  (1)目前電站鍋爐主蒸汽管道中使用的噴嘴流量計主要按照 TSG GOOOl-2012、GD2000、GB/T 2624-2006、IS05167-2003、GB/T 16507 《水管鍋爐》、市監特函〔2018〕515號函進行設計、制造、檢驗。
                  (2)據某研究機構統計,很多未經過制造監檢的ISA1932 噴嘴流量計均存在不同程度的未熔合、未焊透等危害性缺陷,其缺陷很可能是來自于制造環節。從設計上來看,噴嘴流量計其裝配間隙若能符合焊口組對的標準要求,焊口質量可以得到保證,主要是流量計制造過程中對焊接質量缺乏監管,這說明了對電站鍋爐主蒸汽管道中使用的噴嘴流量計進行制造監檢的必要性。
                  (3)長徑噴嘴流量計的補充檢驗檢測應加強關注其噴嘴定位銷及其焊縫表面的檢驗檢測,觀察其是否有裂紋或者其他超標缺陷,確認定位銷材質、焊材、熱處理是否符合設計要求。
                  (4)在用的未經過制造監檢的 ISA1932 噴嘴流量計,由于結構原因和企業綜合成本考慮,目前很難有效的對中間對接環焊縫進行 100%的補充檢驗檢測,一般建議使用單位更換,對使用中的流量計加強監控,同時訂購符合要求的流量計適時更換安裝。
                  (5)本文所探討的噴嘴流量計的檢驗檢測方法仍然需要開展更廣泛的研究,再者筆者水平有限,若有不當之處敬請指正。
           
          本文作者: 莊國華 張德超 孫 磊
          山東省特種設備檢驗研究院臨沂分院
          山東 臨沂 郵編 276000

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