某热电联产机组波纹膨胀节裂纹分析

杨明，范华，翟栋，徐永锋，高振桓

（东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室，四川德阳，618000）



某热电联产机组波纹膨胀节裂纹分析

杨明，范华，翟栋，徐永锋，高振桓

（东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室，四川德阳，618000）

某电厂600 MW抽气型热电联产机组波纹膨胀节在运行约10 000 h后，低压导气管波纹膨胀节第一节工作波发生波纹管破裂。文章通过对波纹管的奥氏体不锈钢材料性能、组织结构、断口形貌以及机组振动等方面予以分析，发现波纹管为疲劳裂纹扩展破裂失效。导气管振动是引起波纹管发生失效破裂的主要原因，其次波纹管的材料冷作硬化是波纹管局部破口的直接原因。通过对波纹管破裂的机制和原因分析，从而为该型机组波纹管的寿命延长提了出有益的改进措施。

热电联产，不锈钢，波纹管，疲劳断口，振动

0　引言

汽轮机组波纹膨胀节为补偿因连接件间温差的热应力及机组机械振动引起的附加应力等引起的机组位移，而在构件上设置的一种能够自由伸缩的位移补偿挠性结构，是一般采用薄壁板材制成的具有一定弹性的波形构件。自被设计使用以来，已在化工、冶金、电力、石油等行业广泛使用。考虑不同的操作工况和应力补偿要求，波纹管波形有多种形式，最为常见的为U型波，C型、Ω型、矩形、S型等也较为常用。波纹管的可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节来保证的，任何一个环节的失控都会导致补偿器寿命降低甚至失效。其失效形式主要有：腐蚀和共振引起的断裂、波纹失稳疲劳破裂、设计结构不合理导致的破裂、原材料或制造缺陷引起的破裂等［1-2］。

此机组为国内首台超临界600 MW等级抽气式热电联产汽轮机组，机组累计运行时间超过10 000 h，发生低压导气管膨胀节波纹管破裂。机组波纹管设计抽气压力0.3～1.5 MPa，最大抽气功率达900 t/h，中压出口蒸汽温度为380℃。机组波纹管破裂失效现场如图1所示。

图1　失效波纹管现场及破口形貌照片

1　裂纹原因分析方案

对波纹管表面仔细观察分析，波纹管板材完整光滑，无应力腐蚀坑孔发现。为发现确认波纹管破裂的主要原因，以及制定相应措施合理避免波纹管破裂的类似事故，对波纹管进一步全面解剖分析，主要试验和分析方案如下：

（1）分析波纹管材料的化学成分、室温拉伸试验、硬度试验；

（2）分析波纹管板材轧制方向和垂直于轧制方向的显微组织：非金属夹杂物含量、晶粒度、晶间腐蚀试验、金相组织、波纹管壁厚尺寸检查等；

（3）对波纹管构件固有振动频率测试及机组停机前振动频率的实时监测分析；

（4）对断口进一步清洁处理，尝试观察断口形貌特征，构建断裂力学模型，推究导致波纹管失效的主要原因。有关试验取样方案如图2所示。

图2　破裂波纹管失效分析取样示意图

2　试验结果及分析

2.1波纹管材料测试结果及分析

波纹管材料化学成分、拉伸性能、HV硬度等测试结果显示，波纹管材料符合有关奥氏体不锈钢材料国家规范要求。拉伸性能及HV硬度结果如表1所示，测试结果显示，材料的屈服强度及硬度指标远高于相关材料国家规范要求。该波纹管采用模具液压冷塑成型，此类奥氏体不锈钢板材料塑性成型极易发生冷作硬化，致使材料屈服强度及硬度提高［3-7］。同时材料在380℃高温下，长时运行超过10 000 h，材料发生老化，组织中析出细小的第二相颗粒，使得材料的强度和硬度升高（见表2），材料塑韧性降低，脆性增加，材料发生脆性断裂倾向增强。

表1　波纹管化学成分试验结果wt.%

2.2波纹管金相组织观察及分析

对断口附近板材轧制方向和厚度方向金相组织进行观察，图3（a）、（b）所示为厚度方向板材金相组织，整个截面方向上轧制组织流线明显，轧制组织流线间距由表面向芯部逐渐增大，由于钢板轧制生产时，随着板材的厚度方向从表面向芯部延伸时，组织间相互约束增强，导致组织流变性能降低。图3（c）、（d）所示为轧制方向板材金相组织，材料内部主要是等轴晶粒和部分变形孪晶，组织晶粒尺寸在8～20 μm之间较为均匀，无明显晶粒长大和铁素体大量析出现象。晶粒内部及晶间发现部分粒状析出物。据有关文献，奥氏体不锈钢在此温度区间，经历10 000 h老化处理后，原奥氏体晶粒尺寸以及奥氏体与铁素体相对比例较老化处理前无显著变化，铁素体晶粒内部析出相含量增加，且铁素体纳米压硬度值升高，材料夏比冲击功下降超过70%以上［8-9］。

图3　板材各方向金相组织观察照片

2.3机组振动测试与分析

为了解机组在供热时导气管振动情况，对机组的振动情况进行了检测，机组运行参数如表3所示，导气管的振动检测频率瀑布图如图4所示。同时通过查阅机组停机前机组的瓦振与负荷的监测数据显示，机组低压缸两侧瓦振幅值最大振幅达104 μm。机组波纹管在失效破裂前一段时间，机组的瓦振幅值偏高。

表3　机组运行工况参数

图4　机组导气管振动频率测试瀑布图

参照机组设计的波纹管测频规范，机组构件固有频率应避开连续运行频率±3%，同时应满足连续运行频率范围2倍±3%的要求，即要求波纹管固有振动频率f不能在48.5～51.5 Hz、97～103 Hz之间。波纹管固有频率测试结果有：23 Hz、33 Hz、43 Hz、57 Hz、75 Hz、92 Hz、114 Hz、162 Hz。测试结果显示，波纹管存在57 Hz、92 Hz 2个固有频率较为接近机组运行频率区，机组在运行波动过程中，可能发生与波纹管频率重合现象，其使得波纹管受规律振动应力作用，降低波纹管疲劳寿命［10-11］。同时供热机组抽气口处存在较大的气流波动，激振力较大，同时该机组低压振动偏大，引起连通管较大的强迫振动响应。

2.4波纹管断口观察及分析

波纹管破裂区断口的发生与扩展如图5（a）所示，沿图示红色线条所示发生和扩展失效。裂纹管在A点、B点区存在2个人字形裂纹扩展，在A点、B点两点所示区域内，在破裂断面发现波纹管断裂源区。

图5（b）所示为破裂源区断口形貌照片，断口表面光亮且分布连续瓦纳线，具有交变载荷作用，引起疲劳断裂特征，并沿着波纹向A点、B点方向扩展。图5（c）所示为裂纹扩展区断口形貌照片，断口分布等距离瓦纳线并向A点、B点方向扩展。图5（d）所示为瞬断区断口形貌照片，断口形貌呈现脆性解理断裂断口特征。对裂纹源区以及扩展区瓦纳线间距测量，随着机组持续运行，振动载荷不断作用于裂纹起始源区，疲劳裂纹瓦纳线以一定间距不断扩展开裂。随着波纹管承压能力的不断下降，机组的设计承压载荷不变，裂纹在扩展至A点、B点时，发生疲劳裂纹的瞬间失稳，以剪切断裂解理台阶迅速破裂［10］。

图5　波纹管破裂区断口观察

3　结论

通过对波纹管的材料分析以及机组振动测试分析、断口形貌观察，波纹管裂纹衍生和扩展复原示意图如图6所示。波纹管疲劳裂纹发生于Ω波形顶点，随机组的持续运行工作，疲劳裂纹不断向A点和B点延展，并在A点和B点发生过载失稳，发生脆性剪切破裂，形成“人”字形脆性断裂破口［3］。分析得出，引起波纹管破裂的主要原因为机组的转子轴振引起静子件支撑瓦块振动，并传递至整个机组气缸组件上；同时机组供热碟阀的频繁调节，引起导气管气流的规律性扰动，加剧导气管的振动幅值。两者共同作用于刚性极低的波纹膨胀节发生疲劳裂纹。材料的冷作硬化提高材料强度，材料在380℃发生老化，并且承受1.5 MPa以下压力载荷，材料组织的析出物增多，材料硬度升高，脆性增加，最终导致波纹管失稳脆性破裂［8-10］。

图6　波纹管裂纹衍生扩展复原示意图

针对波纹管破裂失效的原因机制，提出以下改善波纹管发生破裂可能性的改进措施：

（1）提高波纹管材料刚度，重新设计导气管质量结构，改变导气管波纹管固有频率，避开机组运行激振频率区间，降低波纹管承受激振载荷发生疲劳失效；

（2）波纹管构件生产制造完成后，进行550℃以下去应力保温处理，消除材料冷塑成型时的结构应力，提高材料的塑变能力；

（3）改变膨胀节波纹结构设计，采用U型波纹设计，避免机组激振在Ω波型顶点集中效应。

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Crack Analysis of Corrugation Expansion Joint of A Cogeneration Unit

Yang Ming，Fan Hua，Zhai Dong，Xu Yongfeng，Gao Zhenhuan
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

After a 600 MW extraction type cogeneration unit running 10 000 h，the first quarter wave of low pressure corrugated tube has occurred fracture accidents.This article analyzes material performance，organizational structure，fracture morphology for the corrugated of austenitic stainless steel，as well as the vibration test，experiments demonstrate that corrugated pipe crack results from Ω-peak as fatigue crack initiation.Vibration is one of the main cause of the fatigue，the immediate cause is material cold work hardening of the corrugated pipe.By analyzing the fatigue mechanism，improvement measures are putted forward for promoting the life of corrugated pipe.

cogeneration，stainless steel，corrugated pipe，fatigue fracture，vibration

TK625

A

1674-9987（2016）03-0042-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.010

杨明（1984-），男，硕士，工程师，2011年毕业于合肥工业大学材料学专业，现主要从事能源透平耐热合金材料研究工作。