主蒸汽管道裂紋原因分析

趙興杰

【摘 要】本文根據(jù)主蒸汽管道彎頭處裂紋實例，采用多種檢測方法對裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，結(jié)合主蒸汽管道管線布置結(jié)構(gòu)分析了裂紋產(chǎn)生的原因，最后提出了減小裂紋產(chǎn)生原因的相應(yīng)預(yù)防措施與建議。

【關(guān)鍵詞】主蒸汽管道；裂紋；應(yīng)力分析

中圖分類號： TM621.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0084-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.037

The cause analysis of the crack in main steam pipe

ZHAO Xing-jie

（AnHui Special Equipment Inspection Institute， Anhui Hefei 230051，China）

【Abstract】According to an engineering projects of crack which found in main steam piping， combined with the main steam pipe line layout structure Several detection methods are used to analyse the main cause of the crack. At last ，some preventive measures are put forward.

【Key words】Main steam pipe；Crack；Stress analysis

0 前言

隨著參數(shù)的逐漸提高，電廠主蒸汽管道長期運行在高溫、高壓載荷下[1]，其安全可靠性對電廠的正常運行至關(guān)重要，主蒸汽管道裂紋作為重大安全隱患更是嚴(yán)重威脅著機(jī)組的安全運行，在對某電廠一臺型號為DG1036/17.5-Ⅱ12的鍋爐進(jìn)行定期檢驗時，經(jīng)磁粉檢測發(fā)現(xiàn)在位于爐右側(cè)的主蒸汽第二個彎頭上側(cè)焊縫處，沿焊縫周向方向存在多處裂紋。該鍋爐于2006年7月投入運行已累計運行8萬多小時，其過熱器出口壓力17.5MPa，溫度為，540℃，主蒸汽管道材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為-Ф609.6×90。結(jié)合該之前檢驗記錄和機(jī)組運行記錄發(fā)現(xiàn)，該廠另一臺鍋爐同型號的鍋爐在該位置也存在同樣問題，且該機(jī)組在運行期間經(jīng)歷多次啟停（包括正常啟停和緊急停爐），本文根據(jù)主蒸汽管道裂紋的位置、形態(tài)分布等，通過多種方法對產(chǎn)生裂紋的管道處母材及焊縫進(jìn)行檢驗檢測分析裂紋性質(zhì)，同時結(jié)合管道管線結(jié)構(gòu)等因素對裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

1 主蒸汽管道及裂紋概況

1.1 主蒸汽管道布置

爐右側(cè)主蒸汽管道由高溫過熱器出口集箱從大包引出后，通過第1個彎頭向下到達(dá)平臺處，然后經(jīng)第2個彎頭引向爐前方向（如圖3所示），到達(dá)爐前側(cè)后經(jīng)第3個彎頭向下引出，最終通往汽機(jī)房。

1.2 裂紋位置及形式

經(jīng)現(xiàn)場磁粉檢測發(fā)現(xiàn)，在爐右側(cè)主蒸汽管道第二個彎頭上存在多處裂紋，裂紋主要分布于彎頭測沿熔合線處的焊縫、熱影響區(qū)及附近區(qū)域母材上，其中彎頭內(nèi)、外弧兩側(cè)方向上較為集中，裂紋長度2mm～100mm，沿焊縫周向開裂，裂紋邊緣尖銳、部分裂紋有分枝開叉，后經(jīng)打磨消除，打磨深度最深處約20mm（如圖1、圖2所示）。

2 檢驗分析

為了便于進(jìn)一步分析裂紋產(chǎn)生的原因，對裂紋缺陷處的主蒸汽管道母材及焊縫進(jìn)行了相應(yīng)的檢測分析，以確定材質(zhì)狀況和判斷裂紋性質(zhì)。

2.1 金相組織檢驗

選擇主蒸汽管道上一處典型裂紋缺陷位置進(jìn)行金相試驗，金相結(jié)果顯示（如圖4所示）裂紋周圍正常位置金相組織為鐵素體+珠光體。部分聚集形態(tài)的珠光體區(qū)域形態(tài)較為清晰有部分分散現(xiàn)象，晶界上析出少量顆粒狀碳化物，珠光體輕度球化，符合火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)DL/T 773-2016標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

2.3 化學(xué)成分分析

經(jīng)光譜分析，主蒸汽管道的化學(xué)成分分析結(jié)果表明該處管材及焊縫化學(xué)成分符合火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程DL/T 869-2012關(guān)于12Cr1MoVG合金鋼管各元素含量范圍的規(guī)定[3]。

2.4 硬度檢測

經(jīng)攜式硬度計HT-2000A對裂紋附近的主蒸汽管母材、焊縫進(jìn)行硬度測試，結(jié)果顯示主蒸汽管道母材硬度符合火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程DL/T438-2016的要求范圍[4]，同時根據(jù)火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程DL/T 869 2012[3]同種鋼焊接接頭硬度不超過母材布氏硬度值加100 HB的要求[3]，硬度測試結(jié)果見表1。

3 裂紋原因分析

3.1 檢驗結(jié)果分析

根據(jù)檢測結(jié)果，該處管材及焊縫化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，不存在錯用管材焊材的現(xiàn)象；材料結(jié)構(gòu)組織完好，未產(chǎn)生較明顯球化、老化跡象；母材、焊縫硬度值在正常范圍之內(nèi)；金相分析結(jié)果顯示，裂紋開口處材質(zhì)正常，裂紋末端開口尖銳，屬于外力作用超出強(qiáng)度范圍所致。

3.2 該段主蒸汽管道受力分析

管道受力情況與其結(jié)構(gòu)布置和運行情況有關(guān)，合理的結(jié)構(gòu)布置和運行情況能減小應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，管道在啟停和正常運行過程中主要受力包括：由于管道承受的外部荷載、內(nèi)壓力及管道由于熱脹、冷縮時的位移受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力等；

（1）高溫過熱器出口集箱出口到第3個彎頭出口間的管道管線結(jié)構(gòu)圖所示（見圖5），主蒸汽第二個彎頭和第三個彎頭之間存在一段較長的水平直段管系，中間直段上有一處堵閥，無其他補(bǔ)償裝置和固定支架，僅依靠該段管道兩端彎頭處L型自然補(bǔ)償，且第2個彎頭上側(cè)L型補(bǔ)償管段短臂長度較短，補(bǔ)償作用有限。主蒸汽管道工作溫度540℃，工作壓力17.5MPa，在長期運行過程中，水平中間管段長度較長，由于主蒸汽溫度高，沿水平管道軸向產(chǎn)生較大的膨脹量，在補(bǔ)償不足的情況下，管道彎頭處承受來自水平直段管道的軸向推力，彎頭處特別是彎頭上側(cè)焊口附近產(chǎn)生剪切應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力超出管材強(qiáng)度極限時就會造成損傷；同時該機(jī)組在運行期間多次啟停，機(jī)組啟動過程中，主蒸汽管系由常溫到工作壓力整個管線存在熱膨脹，造成彎管向彎管外側(cè)拉應(yīng)力和彎管內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力，停機(jī)過程中冷縮等變形同樣產(chǎn)生應(yīng)力，也是造成裂紋的主要原因。

（2）另外管道內(nèi)壓載荷作用下彎頭處造成的應(yīng)力集中[5]，管道、管道附件、保溫及工質(zhì)外載荷以及啟停過程中沿管壁厚度方向遞減溫度梯度，引起彎管處應(yīng)力不均也對裂紋的產(chǎn)生有一定影響。

4 結(jié)束語

（1）由于裂紋缺陷處的主蒸汽管系水平管段長度過長且缺少有效補(bǔ)償，水平管段熱膨脹產(chǎn)生的軸向推力造成彎頭處，特別是上側(cè)焊口處應(yīng)力集中現(xiàn)象，與啟停過程水平管段熱膨脹在直角彎頭處產(chǎn)生的應(yīng)力共同作用使該處受力超出材料強(qiáng)度是造成裂紋主要原因；

（2）管道外載荷、內(nèi)壓載荷以及啟停過程中彎管處沿管道壁厚方向溫度梯度引起的應(yīng)力不均等其它應(yīng)力共同作用從一定程度上促進(jìn)了裂紋的生成。

為了預(yù)防事故的發(fā)生，減少裂紋對主蒸汽管道安全運行的影響，應(yīng)在裂紋打磨消除后根據(jù)消除情況制定合理的返修措施，在修復(fù)已有缺陷的機(jī)上加強(qiáng)日常管理，合理調(diào)度減少啟停頻次，條件允許的情況下對該段管線加強(qiáng)補(bǔ)償，減小缺陷處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，為機(jī)組的安全運行提供合理有效的保障。

【參考文獻(xiàn)】

[1]杜藏寶. 火電廠主蒸汽管道的應(yīng)力分析和壽命評估[D].華北電力大學(xué)，2016.3-1.

[2]國家能源局.火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)DL/T 773-2016[S]. 北京中國電力出版社2016.

[3]國家能源局. 火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程DL/T 869-2012[S].北京中國電力出版社2012.

[4]國家能源局.發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程DL/T438-2016[S].北京中國電力出版社2016.

[5]劉學(xué)，白紹桐，張東黎.超超臨界機(jī)組再熱蒸汽管道熱推彎頭強(qiáng)度分析[J].華電技術(shù)，2008， 30（2）：22-25.