主蒸汽管道裂纹原因分析

赵兴杰

【摘 要】本文根据主蒸汽管道弯头处裂纹实例，采用多种检测方法对裂纹产生原因进行分析，结合主蒸汽管道管线布置结构分析了裂纹产生的原因，最后提出了减小裂纹产生原因的相应预防措施与建议。

【关键词】主蒸汽管道；裂纹；应力分析

中图分类号： TM621.72 文献标识码： A 文章编号： 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

随着参数的逐渐提高，电厂主蒸汽管道长期运行在高温、高压载荷下[1]，其安全可靠性对电厂的正常运行至关重要，主蒸汽管道裂纹作为重大安全隐患更是严重威胁着机组的安全运行，在对某电厂一台型号为DG1036/17.5-Ⅱ12的锅炉进行定期检验时，经磁粉检测发现在位于炉右侧的主蒸汽第二个弯头上侧焊缝处，沿焊缝周向方向存在多处裂纹。该锅炉于2006年7月投入运行已累计运行8万多小时，其过热器出口压力17.5MPa，温度为，540℃，主蒸汽管道材质为12Cr1MoVG，规格为-Ф609.6×90。结合该之前检验记录和机组运行记录发现，该厂另一台锅炉同型号的锅炉在该位置也存在同样问题，且该机组在运行期间经历多次启停（包括正常启停和紧急停炉），本文根据主蒸汽管道裂纹的位置、形态分布等，通过多种方法对产生裂纹的管道处母材及焊缝进行检验检测分析裂纹性质，同时结合管道管线结构等因素对裂纹产生的原因進行了分析。

1 主蒸汽管道及裂纹概况

1.1 主蒸汽管道布置

炉右侧主蒸汽管道由高温过热器出口集箱从大包引出后，通过第1个弯头向下到达平台处，然后经第2个弯头引向炉前方向（如图3所示），到达炉前侧后经第3个弯头向下引出，最终通往汽机房。

1.2 裂纹位置及形式

经现场磁粉检测发现，在炉右侧主蒸汽管道第二个弯头上存在多处裂纹，裂纹主要分布于弯头测沿熔合线处的焊缝、热影响区及附近区域母材上，其中弯头内、外弧两侧方向上较为集中，裂纹长度2mm～100mm，沿焊缝周向开裂，裂纹边缘尖锐、部分裂纹有分枝开叉，后经打磨消除，打磨深度最深处约20mm（如图1、图2所示）。

2 检验分析

为了便于进一步分析裂纹产生的原因，对裂纹缺陷处的主蒸汽管道母材及焊缝进行了相应的检测分析，以确定材质状况和判断裂纹性质。

2.1 金相组织检验

选择主蒸汽管道上一处典型裂纹缺陷位置进行金相试验，金相结果显示（如图4所示）裂纹周围正常位置金相组织为铁素体+珠光体。部分聚集形态的珠光体区域形态较为清晰有部分分散现象，晶界上析出少量颗粒状碳化物，珠光体轻度球化，符合火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准DL/T 773-2016标准要求[2]。

2.3 化学成分分析

经光谱分析，主蒸汽管道的化学成分分析结果表明该处管材及焊缝化学成分符合火力发电厂焊接技术规程DL/T 869-2012关于12Cr1MoVG合金钢管各元素含量范围的规定[3]。

2.4 硬度检测

经携式硬度计HT-2000A对裂纹附近的主蒸汽管母材、焊缝进行硬度测试，结果显示主蒸汽管道母材硬度符合火力发电厂金属技术监督规程DL/T438-2016的要求范围[4]，同时根据火力发电厂焊接技术规程DL/T 869 2012[3]同种钢焊接接头硬度不超过母材布氏硬度值加100 HB的要求[3]，硬度测试结果见表1。

3 裂纹原因分析

3.1 检验结果分析

根据检测结果，该处管材及焊缝化学成分满足标准要求，不存在错用管材焊材的现象；材料结构组织完好，未产生较明显球化、老化迹象；母材、焊缝硬度值在正常范围之内；金相分析结果显示，裂纹开口处材质正常，裂纹末端开口尖锐，属于外力作用超出强度范围所致。

3.2 该段主蒸汽管道受力分析

管道受力情况与其结构布置和运行情况有关，合理的结构布置和运行情况能减小应力集中现象的发生，管道在启停和正常运行过程中主要受力包括：由于管道承受的外部荷载、内压力及管道由于热胀、冷缩时的位移受约束而产生的应力等；

（1）高温过热器出口集箱出口到第3个弯头出口间的管道管线结构图所示（见图5），主蒸汽第二个弯头和第三个弯头之间存在一段较长的水平直段管系，中间直段上有一处堵阀，无其他补偿装置和固定支架，仅依靠该段管道两端弯头处L型自然补偿，且第2个弯头上侧L型补偿管段短臂长度较短，补偿作用有限。主蒸汽管道工作温度540℃，工作压力17.5MPa，在长期运行过程中，水平中间管段长度较长，由于主蒸汽温度高，沿水平管道轴向产生较大的膨胀量，在补偿不足的情况下，管道弯头处承受来自水平直段管道的轴向推力，弯头处特别是弯头上侧焊口附近产生剪切应力集中现象，当应力超出管材强度极限时就会造成损伤；同时该机组在运行期间多次启停，机组启动过程中，主蒸汽管系由常温到工作压力整个管线存在热膨胀，造成弯管向弯管外侧拉应力和弯管内侧压应力，停机过程中冷缩等变形同样产生应力，也是造成裂纹的主要原因。

（2）另外管道内压载荷作用下弯头处造成的应力集中[5]，管道、管道附件、保温及工质外载荷以及启停过程中沿管壁厚度方向递减温度梯度，引起弯管处应力不均也对裂纹的产生有一定影响。

4 结束语

（1）由于裂纹缺陷处的主蒸汽管系水平管段长度过长且缺少有效补偿，水平管段热膨胀产生的轴向推力造成弯头处，特别是上侧焊口处应力集中现象，与启停过程水平管段热膨胀在直角弯头处产生的应力共同作用使该处受力超出材料强度是造成裂纹主要原因；

（2）管道外载荷、内压载荷以及启停过程中弯管处沿管道壁厚方向温度梯度引起的应力不均等其它应力共同作用从一定程度上促进了裂纹的生成。

为了预防事故的发生，减少裂纹对主蒸汽管道安全运行的影响，应在裂纹打磨消除后根据消除情况制定合理的返修措施，在修复已有缺陷的机上加强日常管理，合理调度减少启停频次，条件允许的情况下对该段管线加强补偿，减小缺陷处的应力集中现象，为机组的安全运行提供合理有效的保障。

【参考文献】

[1]杜藏宝. 火电厂主蒸汽管道的应力分析和寿命评估[D].华北电力大学，2016.3-1.

[2]国家能源局.火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准DL/T 773-2016[S]. 北京中国电力出版社2016.

[3]国家能源局. 火力发电厂焊接技术规程DL/T 869-2012[S].北京中国电力出版社2012.

[4]国家能源局.发电厂金属技术监督规程DL/T438-2016[S].北京中国电力出版社2016.

[5]刘学，白绍桐，张东黎.超超临界机组再热蒸汽管道热推弯头强度分析[J].华电技术，2008， 30（2）：22-25.