主蒸汽管道彈簧吊架吊桿斷裂的原因分析

張本賀，張玉奎

（陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941）

0 引言

隨著國家能源政策的調(diào)整，核能在國內(nèi)得到大力發(fā)展，大量核電廠建成投產(chǎn)。支吊架是核電廠內(nèi)數(shù)量最多的設(shè)備，運行過程中支吊架難免會發(fā)生故障。支吊架的主要功能是承載管道載荷、限制管道位移和減小管道振動，不直接接觸系統(tǒng)介質(zhì)，也不參與設(shè)備運行。支吊架缺陷對機組運行的即時影響并不明顯，但缺陷長期存在將導(dǎo)致管道及相連設(shè)備振動超標(biāo)、應(yīng)力增大、使用壽命降低甚至疲勞損壞，因此，支吊架對電廠安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。本文詳細(xì)敘述了彈簧吊架吊桿斷裂原因分析的過程及方法，希望能為同類核電廠支吊架吊桿斷裂的原因分析提供一些借鑒。

1 背景

某核電廠1號機組于2014年3月25日商業(yè)運行。2014年8月6日晚，電廠運維人員巡檢發(fā)現(xiàn)1VVP-509-008彈簧吊架吊桿斷裂，斷裂位置如圖1。1VVP-509管線與管道標(biāo)高及布置相同的1VVP-508管線相比管道明顯下沉，1VVP-509管線的疏水管線1VVP-724發(fā)生輕微變形,進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)彈簧吊架吊桿是沿著與螺母嚙合的螺紋位置斷裂，斷裂位置及斷口情況，如圖2所示。

圖1 1VVP-509-008彈簧吊架吊桿斷裂位置

圖2 1VVP-509-008彈簧吊架吊桿斷口

2 設(shè)備情況

1VVP-509管線是主蒸汽聯(lián)箱與主汽門之間的主管道，管道規(guī)格φ660×22.2 ㎜，材質(zhì)WB36CN1,設(shè)計溫度316 ℃，設(shè)計壓力8.5 MPa。

1VVP-509-008彈簧吊架是1VVP-509管線上的第8個支吊架，彈簧吊架的冷態(tài)荷載（安裝載荷）為-33.727 kN，熱態(tài)荷載為-40.204 kN，熱位移-31.3 mm，如圖3所示。

圖3 彈簧吊架參數(shù)

3 原因分析

引起支吊架失效的常見原因主要有管道力學(xué)計算錯誤、支吊架選型不當(dāng)、支吊架制造缺陷、支吊架安裝缺陷和運行因素影響等，本次支吊架失效主要從以上幾個方面開展調(diào)查分析，分析過程如下：

3.1 管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)計算復(fù)核、支吊架選型分析

3.1.1 管道力學(xué)計算的復(fù)核

使用Caesar II對設(shè)計院提供的1VVP管道系統(tǒng)有限元模型的輸入數(shù)據(jù)及輸出結(jié)果進(jìn)行校核。經(jīng)校核彈簧吊架選型（Hanger table）、管道的一次應(yīng)力與二次應(yīng)力（Stress summary）、管端設(shè)備推力與推力矩（Restraint summary）和節(jié)點熱位移等結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

為了驗證設(shè)計模型的準(zhǔn)確性，在機組正常運行期間，對現(xiàn)場1VVP-508/509/510/511管線的彈簧吊架熱態(tài)工作載荷進(jìn)行檢查，實際工作載荷基本與設(shè)計值相符，管道力學(xué)計算符合要求。

3.1.2 支吊架選型分析：

依據(jù)設(shè)計院采購技術(shù)規(guī)范書的要求，支吊架管部、連接件和根部型式的設(shè)計和生產(chǎn)參照華東電力設(shè)計院編制的《管道支吊架手冊》（1983年版）進(jìn)行[1]，當(dāng)支吊架部件超出《手冊》范圍，應(yīng)根據(jù)設(shè)計院提供的支吊架載荷和型式嚴(yán)格按照國標(biāo)GB/T17116.1-3《管道支吊架 第3部分 中間連接件和建筑結(jié)構(gòu)連接件》進(jìn)行設(shè)計制造[2]。

根據(jù)設(shè)計院提供的1VVP系統(tǒng)力學(xué)計算報告，1VVP-509-008彈簧吊架在有限元模型中對應(yīng)的節(jié)點號是2113，對應(yīng)的彈簧吊架的設(shè)計熱態(tài)工作載荷為-40.204 kN，所選彈簧吊架滿足要求。

根據(jù)廠家反饋，“該彈簧吊架是按《汽水管道支吊架手冊》（西北電力設(shè)計院，1983年）制造的[3]，內(nèi)部吊桿是M36的，而不是《汽水管道支吊架手冊》（華東電力設(shè)計院，1983年版）要求的M42[1]。雖然M36吊桿能承受該吊點的載荷，但不符合華東院支吊架手冊的要求”。經(jīng)對照西北院與華東院1983版的管道支吊架手冊，西北院手冊（P74頁）中對應(yīng)的彈簧吊架型號為T1-215，該型號要求選用M36的吊桿，可承受載荷范圍為23.33 kN～50 kN，工作范圍允許最大變形量為80 mm；而華東院設(shè)計手冊（P68頁）中對應(yīng)的彈簧吊架型號為TH1-215，要求選用M42的吊桿，允許承載范圍為23.33 kN～50 kN。因此，該彈簧吊架吊桿選型不符合設(shè)計院采購技術(shù)規(guī)范書的要求，但不是導(dǎo)致吊桿斷裂的原因。

3.2 吊桿斷口及理化分析

3.2.1 吊桿的斷口分析：

對1VVP-509-008彈簧吊架吊桿斷面（螺紋處斷口）進(jìn)行表征分析，斷面宏觀形貌，如圖4所示。宏觀上斷口分成兩半，右下方區(qū)域顯示出疲勞形貌特征，斷裂是從右下方斷口啟裂（對應(yīng)斷口全貌中的1、2區(qū)，以1區(qū)為主）向左上方擴展最終斷裂。斷口微觀形貌如圖5所示，斷口左上方8區(qū)內(nèi)為典型的脆性解理特征（伴有少量韌窩），9區(qū)內(nèi)（對應(yīng)一個螺牙區(qū)域，面積很?。轫g窩形貌對應(yīng)最終的瞬斷位置。繼續(xù)分析斷口形貌，發(fā)現(xiàn)斷口下方螺牙牙底有明顯的機加工刀痕，截取斷口縱剖面繼續(xù)觀察斷口下方牙底的內(nèi)部形貌，發(fā)現(xiàn)牙底有2條4 μm的微裂紋，如圖6所示。對其中一條微裂紋進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)含有Zn元素，說明這條裂紋是在鍍鋅工序之前形成的，這些微裂紋是引起吊桿斷裂的起裂源。

圖4 吊桿斷口宏觀形貌

圖5 吊桿斷口微觀形貌

圖6 螺紋牙底微觀形貌

3.2.2 理化性能分析：

對吊桿化學(xué)成分進(jìn)行分析，檢測結(jié)果見表1，各元素含量均滿足GB/T699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》材料制造標(biāo)準(zhǔn)要求，屬特級優(yōu)質(zhì)鋼[4]。同時也滿足GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》部件制造標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。

表1 吊桿化學(xué)成分檢測結(jié)果 /%

分別對吊桿材料做室溫拉伸、室溫沖擊和硬度測試，試驗結(jié)果見表2，抗拉強度、屈服強度和斷后截面收縮率均滿足GB/T 699-1999材料制造標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 3098.1-2010部件制造標(biāo)準(zhǔn)要求，但斷后伸長率測試結(jié)果為16%、14.5%，低于GB/T 699-1999標(biāo)準(zhǔn)23%要求，表明材料塑性偏低。沖擊功實驗結(jié)果分別為61 J、54.5 J、59 J，沖擊功低于GB/T 699-1999標(biāo)準(zhǔn)要求71 J，說明材料的抗沖擊性能偏低。對吊桿材料做硬度測試，試驗結(jié)果見表3，材料的布氏硬度高于GB/T 699-1999標(biāo)準(zhǔn)要求，而維氏硬度滿足GB/T 3098.1-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 吊桿室溫拉伸試驗結(jié)果

表3 吊桿的硬度試驗結(jié)果

3.3 支吊架安裝情況核查分析

通過檢查安裝記錄發(fā)現(xiàn)，1VVP-509/508/510管線部分彈簧吊架在1號機組熱試期間的實際工作載荷與設(shè)計載荷存在偏差,見表4（由安裝單位提供），由于載荷偏差量并不大，因此，工程期間未進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)1VVP-509-008彈簧吊架安裝圖可知管道冷熱態(tài)位置（管線冷態(tài)位置為：X=-10.9 mm，Y=-5.9 mm，Z=8.7 mm；熱態(tài)位置為：X=-20.2 mm，Y=-19.8 mm，Z=-22.6 mm），在機組正常運行期間，吊架將向X軸和Y軸的負(fù)方向偏移，現(xiàn)場實測彈簧吊架的偏移方向與熱位移方向一致，彈簧吊架的偏移角度也滿足DL/T982-2005《核電廠汽水管道與支吊架調(diào)整導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)不超過4°的要求[6]。

表4 支吊架安裝檢查記錄 /mm

3.4 運行因素分析

根據(jù)ASME OM-S/G-2000 part3對振動分類的相關(guān)說明，用許用峰值速度對管道振動情況進(jìn)行分級，1VVP-509管線振動情況屬于W2級。1VVP-509-008吊架斷裂前未進(jìn)行過振動測量，吊桿斷裂后的振動測量結(jié)果見表5。根據(jù)W2級標(biāo)準(zhǔn)管道三個方向振動速度峰值允許值為70.7 mm/s，1VVP-509管線各測點振動速度均未超過峰值允許值，且根據(jù)W2級標(biāo)準(zhǔn)，除1VVP-509-008吊點處A向振動速度為合格品質(zhì)外，其余所有測量結(jié)果均為優(yōu)秀值（優(yōu)秀值≤12.4 mm/s）。但管線長期振動會使彈簧吊架吊桿疲勞，加速吊桿斷裂。

表5 管道振動測量數(shù)據(jù)

3.5 分析總結(jié)

綜合上述分析，彈簧吊架吊桿斷裂失效的原因是，1VVP-509-008彈簧吊架吊桿存在初始缺陷（機加工刀痕），彈簧吊架安裝完成后吊桿處于拉伸狀態(tài)缺陷處應(yīng)力集中，局部應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于材料的名義應(yīng)力。機組運行后管道振動加速吊桿疲勞，吊桿的初始缺陷附近迅速形成塑性區(qū)，伴隨循環(huán)次數(shù)的增加塑性區(qū)形成疲勞裂紋且不斷擴展，在機組功率變化及瞬態(tài)工況時吊桿載荷突變超過吊桿承載能力而發(fā)生脆性斷裂。

4 改進(jìn)建議

支吊架制造廠家應(yīng)對制造彈簧吊架的原材料進(jìn)行入廠檢驗，以確保原材料滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，制造過程應(yīng)增加彈簧吊架部件的加工質(zhì)量檢查項目，以確保彈簧吊架的制造質(zhì)量滿足要求；同時，制造廠家應(yīng)仔細(xì)閱讀設(shè)計院出版的采購技術(shù)文件，避免錯誤使用制造標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致彈簧吊架不滿足設(shè)計要求。

電廠運營方應(yīng)加強對在建機組支吊架制造、安裝和調(diào)試質(zhì)量的監(jiān)督管理，商運前應(yīng)對支吊架進(jìn)行一次全面的普查。商運后應(yīng)建立支吊架的定期檢查大綱，定期對支吊架進(jìn)行檢查維護，以確保所支撐的管道安全穩(wěn)定的運行。