核电厂汽轮机导汽管压力测量仪表管道断裂原因分析

李 钱

（苏州热工研究院有限公司，广东 深圳 518000）

核电厂启停机过程中或处于较低的功率平台时，主管道内因蒸汽状态不稳定而产生振动，对测量仪表小管形成激励，导致仪表小管在较高的振动应力下发生疲劳断裂。本文分析了某核电厂汽轮机进汽管道仪表管断裂的原因，并提出了改进建议。

1 管道断裂情况概述

某核电厂2号机组升功率至383 MW时，汽轮机高压缸主蒸汽导汽管压力测量仪表管断裂，无法实施在线隔离，汽轮机打闸停机。管道连接方式如图1所示。由图1可知，转接头外表面结构是螺纹以及一段非圆滑过渡的六面体，转接头通过一部分螺纹旋合在BOSS头内并进行承插焊，而仪表管和转接头也是通过承插焊连接。

图1 导汽管BOSS头与仪表管连接结构图

2 管道断裂原因分析

2.1 仪表管型号分析

根据《发电厂汽水管道应力计算技术规程》，对于外径与内径之比小于或等于1.7的管道，在设计压力和设计温度下所需的管子最小壁厚按如下公式计算：

式中：p—道中介质的设计压力（MPa）；D0—管子外径，取用最大外径（mm）；η—钢材在设计温度下的许用应力（MPa），取87 MPa；Y—修正系数，取0.4；η—许用应力修正系数，无缝钢管取1.0；α—有腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度（mm），一般蒸汽管道和水管道可不计腐蚀和磨损的影响，这里取0。

考虑管道偏差影响，管道承压的计算壁厚为：

式中：SC—管道的计算壁厚（mm）；c—管子壁厚负偏差的附加值（mm），对于热轧无缝钢管，管子壁厚负偏差的附加值按如下计算：

式中：m—管子产品技术条件中规定的壁厚允许负偏差（%），取15%。

本案例中，导汽管压力为6.43 MPa，设计时压力取10 MPa，温度为280.1 ℃，计算得壁厚为1.03 mm就能满足管道承压要求。而现场使用的仪表管选用φ16 mm的316不锈钢，壁厚为3 mm，满足要求。

2.2 管材分析

对转接头及仪表管进行光谱分析，其中转接头的典型化学成分含量：Cr含量为20.23%、Ni含量为8.01%，与304不锈钢匹配；仪表管光谱分析典型化学成分含量：Cr含量为16.20%、Ni含量为8.05%，成分与1Cr18Ni9Ti匹配。因此转接头与仪表管道的材质均符合要求。

2.3 焊缝分析

断裂试样有2组，经检查断口外表面较平直，断口边缘表面未见塑性变形，其中1号试样有长约8 mm的断口在焊趾，其余断口均断裂在角焊缝内。断裂试样拼合后形成完整的角焊缝外观形貌，焊趾未见咬边、未熔合等缺陷；2号试样焊缝表面波纹正常，未见沟槽、凹坑、气孔、夹渣、裂纹等缺陷。

对两组断裂试样焊缝截面进行显微金相观察，在低倍显微镜下观察，角焊缝是分层焊接，清晰可辨L1、L2两层焊缝，且层道间熔合良好，焊缝截面内未见缺陷；焊缝与两侧母材之间的熔合线部位未见显微缺陷；焊缝组织为典型的枝晶组织，未见裂纹、孔洞等显微缺陷。

通过以上分析，可见转接头与仪表管的焊接工艺满足要求，并未产生缺陷。

2.4 断口分析

对试样断口进行扫描电镜观察，在断口上发现了典型的疲劳断裂特征，对其进行放大可见断口早期相互摩擦形成较为光亮的脊线，对脊线区域进一步放大，可见在脊线附近相互挤压形成表面粗糙的台阶，在裂纹源附近发现早期的疲劳条带，并且在裂纹源附近发现了滑移特征，从1号试样的断口表面可以发现典型的疲劳裂纹扩展特征。

通过对试样进行的试验分析，试样断口为疲劳断口，断口的启裂区、扩展区和终断区特征明显，与疲劳断口特征相符。

2.5 管道振动

根据机组数次启动过程中的振动测量数据，冲转并网过程中，测量仪表管线所在的主蒸汽导管最大瞬态振动值在18 mm/s附近波动，小于其许用限值35.54 mm/s，即测量仪表管线所在管系振动符合要求。

对测量仪表管道进行建模计算，结果显示，在机组并网升功率过程中，主蒸汽导汽管振动值不超标的情况下，仪表管断裂处的振动应力值远大于设计允许限制34.2 MPa，易导致仪表管道发生疲劳断裂。计算结果见表1。

表1 测量仪表管道建模计算结果

机组在启停机阶段以及功率平台比较低的时候，蒸汽各参数均不稳定，管系存在振动，从而会给小的测量仪表管道形成激励，致使仪表管断口处承载的振动交变应力值大于其允许限值，导致小管道疲劳断裂。

3 改进建议

在机组启停机或者功率平台较低阶段，仪表管断口处承载的振动交变应力值远大于其允许限值，承插焊焊缝的承载力不足且易产生应力集中，因此建议采用对接焊。转接头与仪表管壁厚差别较大，为避免异径错边的焊接，可将转接头加工成变径转接头连接（见图2），通过这两项改进，仪表管道在机组启停机以及功率平台较低时未再发生过断裂的情况。

图2 对接焊与变径转接头示意图

4 结语

汽轮机组仪表管道断裂失效故障仍时有发生，对于管道连接形式、焊接方式仍需不断总结深化。本文从多个方面对测量仪表管道断裂进行了分析讨论：（1）对于重要敏感管道，由于导汽管工况存在变化，导致仪表管连接部位存在振动，在设计时需要考虑管道的振动应力校核。（2）仪表管道与导汽管连接部位，通过采用对接焊可有效应对主管带来的不利影响，增加结构的连接强度。（3）不同尺寸管件的连接，采用变径转接头能有效改变管道局部受力，提高结构连接的可靠性。