火力發電廠承壓部件上管座眾多，主要有溫度測點、壓力測點、疏(放)水、排空、蒸汽取樣等，管座均連接在主蒸汽及再熱蒸汽管道和集箱上，其工作溫度高、壓力大。近年來，因火電機組的調峰要求,高溫、高壓管座和套管角焊縫處頻繁發生泄漏事故，其中溫度管座的套管失效概率較大。為保證測溫的準確性，溫度管座需要插入承壓部件內部，溫度套管頂端受到蒸汽沖刷，長時間運行易產生疲勞失效，造成機組非計劃停機，給現場人員的人身安全帶來隱患。有學者指出，P91鋼主汽管道上熱電偶插座裂紋的產生原因為焊接結構設計不合理，采用增大坡口根部角度的方法并保證全焊透可以避免裂紋的產生，但焊縫缺陷返修實施難度很大，且返修對主汽管道損傷太大；采用增加管座結構的方法進行改造，可以大大降低焊接及熱處理工藝的操作難度，但溫度管座與套管的角焊縫是未焊透結構，只能對角焊縫處進行表面探傷，無法對焊縫內部的缺陷進行檢測。
火電廠溫度管座的失效往往是各種因素綜合影響而導致的。材料選擇不當、裝配不當、焊接工藝執行不到位、焊縫埋藏缺陷無法被及時檢測等原因，均會導致管座失效，因此管座的安全服役是綜合優化的結果。針對這一情況，來自江蘇大唐國際呂四港發電有限責任公司和中國大唐集團的科學技術研究總院有限公司的蒙殿武、馬志寶等研究人員對溫度管座的結構、焊接工藝、選材、檢測方法等方面進行了系統研究，開展了相關試驗，并提出了綜合優化的概念，為火電廠新建機組管座設計、失效管座技術改造提供理論指導。
1.1主汽門溫度套管脫落
2016年國內某電廠600MW機組高壓主汽門入口溫度保護套管脫落，主汽門材料為ZG15CrMo鋼，壁厚約為80mm，溫度套管材料為1Cr18Ni9Ti鋼，溫度套管與主汽門管座孔為過渡配合，焊接結構未開坡口，焊接材料為A132鋼，焊腳尺寸約為5mm(見圖1)。經檢查發現，位于坡口面約50%的焊道外觀有明顯的裂紋擴展痕跡，約30%有明顯的撕裂痕跡。該焊接結構未開坡口，焊腳尺寸及焊接材料不符合相關標準要求，當機組啟停和調峰頻繁、溫度變化次數增加時，該溫度套管受到周期性熱應力，在焊縫根部產生裂紋，在運行過程中裂紋不斷擴展，最終導致溫度套管脫落。
1.2主蒸汽管道上溫度套管開裂
國內某電廠600MW機組的主蒸汽管道上溫度套管發生開裂，開裂溫度套管的宏觀形貌如圖2所示，可見裂紋位于焊縫與母管熔合線附近，主蒸汽母管材料為A335P91鋼,壁厚為47mm；溫度套管材料為1Cr18Ni9Ti鋼，結構形式為溫度套管直接埋入主蒸汽管道中，且為未焊透結構。該溫度套管的結構為直埋式未焊透結構，焊縫根部應力集中程度較大，焊縫根部坡口角度較小，焊接時擺絲困難，容易形成夾雜、未熔合缺陷。母管與套管材料不同，為異種鋼焊接，焊接后實施熱處理的難度較大，在交變應力的作用下，沿焊縫與母材側熔合線產生裂紋，導致溫度套管發生早期開裂。
2、溫度管座失效影響因素
2.1 異種鋼焊接接頭
溫度管座的材料一般為不銹鋼，管道、集箱或缸體一般為鐵素體耐熱鋼，因此溫度管座就出現了異種鋼焊接的結構設計。據統計，奧氏體異種鋼接頭發生早期失效的時間約為7×104h，鎳基合金異種鋼接頭發生早期失效的時間約為106h。異種鋼的熱膨脹系數存在差異，導致焊接接頭內部應力較為復雜，低合金側容易產生氧化缺口，因此異種鋼焊接接頭易發生早期失效。
2.2 結構
目前直埋式溫度管座一般都為未焊透結構，其焊縫根部角度較小，焊接時擺絲困難，容易形成未焊透或未融合缺陷，這種結構容易產生內部缺陷，且很難被檢測出來，使焊接質量難以得到有效控制。
2.3 焊接工藝
焊接工藝不當，沒有進行預熱和焊前熱處理，焊縫根部存在嚴重未焊透現象，未做焊后熱處理，均會導致溫度管座發生早期失效。
2.4 裝配工藝
裝配工藝不當會導致管座發生振動，并產生應力集中；還會使溫度管座的錐形套與管壁內孔的錐形面未緊密接觸，管座直段在介質沖擊作用下發生振動，最終使溫度管座根部發生疲勞斷裂。
2.5 管系布置
機爐外管往往沒有設計圖紙，施工單位在施工過程中因地制宜進行布置，但如果布置不當造成熱膨脹受阻、支吊架調整不到位，會使管座產生拘束應力，并引發開裂。
2.6 加工工藝
溫度管座變徑處存在退刀槽和截面突變，沒有進行圓滑過渡，存在應力集中，容易導致該部位發生泄漏。
3、綜合優化
3.1管座結構
溫度管座按結構形式分為直埋式、管座式和螺紋式(見圖3~5)。直埋式溫度管座是將管座直接埋入承壓部件內部焊接而成，可分為根部非焊透結構和全焊透結構；管座式溫度管座是用短節接管相連接，可分為安放式和插入式；螺紋式溫度管座是在管道開孔處或管座內壁加工螺紋，套管與管座用螺紋連接，并在管座表面進行焊接密封。
因無法對螺紋式結構角焊縫進行無損檢測，故對管座的質量可控性較差，存在安全風險，應用較少，一般應用于高中壓主汽閥上；直埋式和管座式在各類管座中應用較廣泛。直埋式與管座式結構優缺點的比較情況如表1所示，可見管座式結構焊縫處的應力更小，對主管母材的熱損傷小，易修復，可以對焊縫埋藏缺陷進行超聲檢測，因此在設計、改造、維修中應首選管座式結構。
3.2管座材料
國內大部分設計院設計的溫度套管材料主要有兩種，一種是與管道同材料的低合金耐熱鋼，另一種是奧氏體不銹鋼，這兩種材料在各機組中所占比例相當。不銹鋼溫度套管的優點為，具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性以及抗蒸汽沖刷能力；缺點為易發生異種鋼接頭早期失效，且鎳基焊縫不易進行超聲檢測，很難對其進行質量監控。因此管座應選用與套管相同的材料，要綜合考慮材料的強度、抗氧化性、熱膨脹性、疲勞、焊接、檢驗檢測等方面因素。
3.3管座檢測方法
3.3.1 外徑為32~89mm的管座
依據行業標準，當管座外露檢測面長度滿足規程要求時，可采用普通A型脈沖反射法對管座角焊縫進行檢測。探頭放置的檢測面為接管外壁，依靠一次直射波和內壁二次反射波進行焊縫檢測覆蓋，檢測過程中無須考慮管道曲面對缺陷定位的影響。
目前絕大部分機組管座的檢測面長度均不滿足規程要求，對于這種情況，如果管座檢測面長度不小于25mm，也可使用相控陣法進行檢測。
對于安放式管座，依據DL/T 1105.2—2010《電站鍋爐集箱小口徑接管座角焊縫 無損檢測技術導則第2部分：超聲檢測》進行檢測，可發現接管側坡口的未熔合、未焊透缺陷，以及焊縫中的氣孔、夾雜、部分反射面較好的裂紋，但若主管筒體不開坡口或坡口角度很小，則很可能漏檢主管筒體坡口的未熔合缺陷。
對于直埋式管座，依據DL/T 1105.2—2010進行檢測，容易漏檢接管側焊接區未熔合缺陷，這也是直埋式結構不容易進行質量控制的原因。
3.3.2 外徑不小于89mm的管座
外徑不小于89mm的管座在疏水、排空、測溫、壓力管座中應用較少，此處不進行討論。
3.3.3 外徑為22~32mm且壁厚不小于4mm的管座
對于外徑為22~32mm且壁厚不小于4mm的管座，很多常規超聲檢測規程都沒將其納入檢測范圍，可用相控陣法對其進行檢測。
3.3.4 外徑小于22mm或壁厚小于4mm的管座
對于壁厚小于4mm的管座，體波難以傳播，易形成導波，不能進行超聲檢測。可以采用直流磁粉檢測法對其近表面缺陷進行檢測。試驗證實，滿足提升力≥177N的直流電磁軛，能檢測壁厚4mm管座的對接焊縫根部未焊透缺陷。
4、建議
4.1管座結構的選擇
對于服役溫度大于400℃或服役載荷大于5.9MPa的承壓部件，推薦使用插入式管座；對于服役溫度小于400℃或服役載荷小于5.9MPa的薄壁承壓部件(壁厚小于20mm)，推薦使用直埋式管座。管座角焊縫、溫度測點、取樣管等與管座的對接焊縫均須采用全焊透結構。
對于安裝在管道上的各類管座，不宜使用螺紋式結構；對于安裝在各類閥(缸)體上的各類管座，允許采用螺紋式結構。靠插入端緊密配合的溫度管座,宜采用圓錐形設計，安裝時保證管座與承壓部件管壁頂緊。
承壓部件管座形式及角焊縫結構的設計應滿足無損檢測對焊縫內部缺陷和表面缺陷的檢測要求，接管外徑不小于32mm，壁厚不小于4mm，長度不低于60mm，強度滿足設計要求。
4.2材料及焊接工藝的選擇
高溫(服役溫度不小于400℃)管座及套管宜選用與承壓部件相同的材料,低溫 (服役溫度小于400℃)管座及套管可采用比承壓部件性能等級高的材料。
焊縫坡口形式以及坡口角度的設計要滿足根部焊透要求，盡量減少熔敷金屬填充量，以降低焊接應力；焊接宜采用氬弧焊打底,氬弧焊或低氫焊條填充和蓋面。
4.3檢測方法
按DL/T 869—2012 《火力發電廠焊接技術規程》的相關要求，對焊接接頭進行宏觀觀察、光譜檢驗，如焊接接頭能放置便攜里氏硬度計時，應進行硬度測試。鐵磁性材料優先使用磁粉檢測。能確定溫度管座結構且結構允許的情況下應進行超聲檢測，并應制定超聲檢測操作指導書；結構不滿足超聲檢測要求且曾發生過失效的管座，應進行結構改造，以滿足檢測要求。
5、結語
火電廠溫度管座失效的影響因素有：管座結構、管座材料、焊接工藝、裝配工藝、管系布置等，需采用綜合優化思維對管座的安全性進行評價。
管座結構宜優先選擇全焊透的插入式管座，套管及管座應選用與承壓部件相同或相近的材料。管座的結構設計、材料選擇應滿足無損檢測對焊縫埋藏缺陷和表面缺陷的檢測要求。
綜合優化概念的提出可以為提高火電廠溫度管座的安全性，避免機組發生事故甚至造成人身傷亡等提供理論支持。
