多汽源高溫差分汽缸泄漏原因的分析

摘 要：分汽缸作為一種常見的熱能動(dòng)力機(jī)械被用于多種動(dòng)力設(shè)備之中，在運(yùn)作時(shí)承擔(dān)熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷，汽缸是承受載荷壓力最大且最復(fù)雜的零部件?；诖?，本文將分析多氣源分汽缸在高溫差條件下的罐體出現(xiàn)的裂紋和泄漏問題，并探究解決多汽源高溫差分汽缸出現(xiàn)泄漏的方法，以保障汽缸能夠高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：分汽缸;高溫差;熱疲勞

引言：在運(yùn)作過程中會(huì)有很大一部分內(nèi)缸構(gòu)件受到熱力載荷，在循環(huán)熱力載荷的作用下容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從而使汽缸產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致汽缸泄漏。需要結(jié)合實(shí)際情況對汽缸泄漏原因進(jìn)行分析。

1多汽源高溫差分汽缸泄漏及裂紋原因

1.1裂紋性質(zhì)

對分汽缸存在的泄露及內(nèi)部裂紋分布情況進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，雖然分汽缸內(nèi)部大部分都存有裂紋，但并非相對均勻地分布在汽缸內(nèi)表面，裂紋大部分集中在特定區(qū)域之間。此區(qū)域恰巧是高低溫蒸汽入口位置，在焊縫和母材上都有線性裂紋，也有部分圓形或半圓形裂紋。根據(jù)裂紋分布及形狀可以分析出這些裂紋問題不是由于強(qiáng)度不足所引起的損壞。而且從裂紋分布來看，并非由管道振動(dòng)引起的疲勞裂紋，否則在進(jìn)汽管線振動(dòng)位置應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生更多的疲勞裂紋，不過實(shí)際情況卻并非如此。檢查進(jìn)汽管線，有多個(gè)彎管且柔性很好，在實(shí)際運(yùn)用中也未發(fā)生過異常振動(dòng)，證明疲勞裂紋并非由管線振動(dòng)引發(fā)的。既然裂紋的產(chǎn)生需要交變應(yīng)力的作用，而外部未向汽缸施加交變應(yīng)力，這就說明交變應(yīng)力的來源是在內(nèi)部。而內(nèi)部交變應(yīng)力的產(chǎn)生有兩種情況。一種是內(nèi)部壓力變化對汽缸內(nèi)部造成破壞，另一種而是內(nèi)部介質(zhì)溫度變化引發(fā)的溫度應(yīng)力。如果是壓力變化引起的疲勞裂紋，在裂紋分布上應(yīng)當(dāng)更加分散且均勻，而且汽缸罐體本身較為穩(wěn)定，不容易對容器內(nèi)部造成損害。那么基本可以確定造成裂紋的原因是溫度應(yīng)力引起的熱疲勞裂紋。

1.2溫度交變應(yīng)力

溫度交變應(yīng)力的形成是高溫管和低溫管同時(shí)向汽缸內(nèi)部供汽時(shí)所產(chǎn)生的，兩個(gè)管道內(nèi)的壓力在不斷變化，而隨著壓力變化，進(jìn)入管道內(nèi)的冷熱氣團(tuán)在汽缸內(nèi)的分布情況也會(huì)隨之發(fā)生變化。原本與冷氣團(tuán)接觸的罐體表面在迅速接觸到熱氣團(tuán)后，會(huì)造成罐體表面迅速升溫，罐體表面的材料就會(huì)產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，但受限于板材限制無法膨脹，就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的內(nèi)應(yīng)力，這一應(yīng)力就是溫度應(yīng)力。從實(shí)際情況來看，壓力降低，體積膨脹，溫度也會(huì)降低，考慮到熱傳遞的影響，汽缸內(nèi)溫差很難超過100℃左右，在分析計(jì)算中考慮溫度應(yīng)力可能出現(xiàn)的最大值即可[1]。

在高溫管壓力升高或低溫管壓力降低時(shí)，原先低溫氣團(tuán)存在的區(qū)域就會(huì)被高溫氣團(tuán)取代，罐體表面迅速升溫，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，應(yīng)力拉伸變?yōu)閴嚎s。而當(dāng)?shù)蜏毓軌毫ι呋蚋邷毓軌毫档蜁r(shí)，原先高溫氣團(tuán)存在的區(qū)域被低溫氣團(tuán)取代，溫度較高的罐體表面會(huì)降低，罐體材料出現(xiàn)收縮趨勢，而周圍材料的限制導(dǎo)致無法正常收縮，溫度應(yīng)力再次出現(xiàn)，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。在反復(fù)拉伸和壓縮狀況下就會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力，從而出現(xiàn)裂紋。從具體裂紋分布來看，在低溫管附近的裂紋要多于高溫管附近的裂紋，證明低溫管位置受溫度應(yīng)力影響更大，裂紋深度和長度也更嚴(yán)重。

1.3金相分析

對分汽缸管道裂紋處取樣進(jìn)行進(jìn)項(xiàng)分析。宏觀金相可以看出主要斷裂痕跡是從內(nèi)壁向外擴(kuò)展，斷口沿晶開裂，少量穿晶開裂，而主裂紋附近有大量沿晶開裂的二次裂紋，尖端為沿晶分支裂紋，附近組織為鐵素體、珠光體和少量魏氏體。晶粒度為7級(jí)。微觀表現(xiàn)以沿晶分布特征。金相分析只能檢測外觀未腐蝕變形、未發(fā)生塑性變形等缺陷，以及主要裂紋的真實(shí)分布區(qū)域，對于是否由溫度應(yīng)力引起裂紋原因的判斷依據(jù)不足，但可以有效排除其他一些引發(fā)裂紋的原因。

1.4能譜分析

通過電子顯微鏡掃描分汽缸低溫管口與罐體開裂端口處試樣，可以分辨出端口主要為沿晶端口，可見沿晶二次裂紋，在對斷口處采用5%稀鹽酸進(jìn)行清洗后，沿晶二次裂紋沒有明顯變化。而采取X射線能譜儀對分汽缸裂紋表面進(jìn)行元素種類和含量分析，經(jīng)裂紋分析檢測發(fā)現(xiàn)，裂紋內(nèi)壁及斷口表面雖然存在一定量元素，但都屬于分汽缸內(nèi)正常沉積的混合物，而分汽缸內(nèi)殘余水蒸氣結(jié)晶物較多，在非腐蝕作用下，只能是溫度變化導(dǎo)致水蒸氣的大量產(chǎn)生，可以憑借能譜與顯微鏡分析得出導(dǎo)致分汽缸出現(xiàn)裂紋的主要原因是溫度變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。

2分汽缸泄漏及裂紋原因綜合分析

在諸多分析后，可以得出在交變應(yīng)力作用下，根據(jù)疲勞失效理論，在金屬中位置不利或較弱晶體會(huì)選擇最大剪應(yīng)力作用面形成滑移帶，滑移帶開裂后形成的沿晶裂紋便是交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，裂紋如果長期處在這一狀態(tài)下，就會(huì)發(fā)生開裂、泄漏等問題。不過，除了高低溫管附近有明顯缺陷裂紋外，還有個(gè)別裂紋分布在分汽缸內(nèi)部，包括縱焊縫、受力位置。這些位置也是容易受到交變應(yīng)力集中的區(qū)域，是容易發(fā)生裂紋的位置。究其原因可能是由于氣體運(yùn)動(dòng)較快，溫度很難快速平衡，氣團(tuán)交匯產(chǎn)生的漩渦會(huì)分布到容器的各個(gè)角落，其中較為密集的區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生裂紋，這也是受到溫度應(yīng)力的作用而產(chǎn)生的。

3多汽源高溫差分汽缸使用建議

3.1溫度應(yīng)力處理

溫度應(yīng)力導(dǎo)致的交變應(yīng)力所產(chǎn)生的裂紋或泄露現(xiàn)象處理，在設(shè)計(jì)多汽源高溫差分汽缸時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免兩個(gè)汽源使用同一分汽缸，若確實(shí)需要共同使用，則兩個(gè)汽源應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離設(shè)置，并且在分汽缸內(nèi)設(shè)置內(nèi)件，防治高低溫蒸汽頻繁交匯引發(fā)溫度應(yīng)力問題。盡可能讓蒸汽在分汽缸容器中心部位進(jìn)行溫度平衡，或是讓壓力平穩(wěn)變化。另外，在溫度應(yīng)力低于疲勞極限，或是溫度差小于高低溫管傳遞參數(shù)，可以不用考慮溫度應(yīng)力對分汽缸罐體的影響。

3.2加強(qiáng)安裝質(zhì)量

在壓力管道的設(shè)計(jì)安裝過程中，需要嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，不得因設(shè)備需求而隨意降低技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，避免產(chǎn)生不安全因素。對于具有溫度應(yīng)力的多汽源高溫差分汽缸設(shè)計(jì)時(shí)就要在最低位設(shè)置相應(yīng)的管道和設(shè)備技術(shù)措施，來避免溫度變化過快，或是就分汽缸內(nèi)部罐體材料進(jìn)行處理，使材料能夠應(yīng)對溫度應(yīng)力帶來的拉伸和壓縮變化。

結(jié)論：綜上所述，在分析多汽源高溫差分汽缸造成出現(xiàn)裂紋及泄漏的原因后能夠明確分汽缸在多汽源情況下會(huì)因?yàn)楦邷夭钭兓瘞頊囟葢?yīng)力，從而引發(fā)交變應(yīng)力，致使分汽缸罐體容器內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。對于此種情況和問題，需要加強(qiáng)對高溫差變化帶來的影響，降低汽缸內(nèi)部產(chǎn)生熱疲勞效應(yīng)，保障分汽缸的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡利晨，陳文飛，胡煒煒，等.中壓分汽缸材質(zhì)裂化案例分析[J].中國特種設(shè)備安全，2020，36（05）：76-80.

作者簡介：

丁志浩，男;出生年月：1993.2.28;籍貫：山東省招遠(yuǎn)市;民族：漢;最高學(xué)歷：大學(xué)本科;目前職稱：助理工程師;研究方向：特種設(shè)備檢驗(yàn)、檢測。