發電廠主蒸汽管道開裂分析

羅宏建，周重回，鄭宏曄，趙州峰

(浙江省電力試驗研究院，浙江杭州 310014)

0 引言

隨著火力發電機組容量的增大，四大管道的設計參數不斷提高，管徑及壁厚也隨之加大，高溫蒸汽管道的安全運行問題也越來越突出，而保證管系的應力水平在規范的許用應力范圍內是設備安全可靠運行的前提條件。根據DL/T 5366—2006《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》的規定，管道在內壓、自重和其他外載作用下所產生的一次應力和在熱脹、冷縮及位移受約束時所產生的二次應力應在設備所能安全承受的范圍內。管道的規格、管系中剛性件的重量、保溫的重量、管系的約束條件及管道支吊系統等都是決定管系應力水平的關鍵因素。當這些因素發生變化時，應根據實際數據重新進行應力分析，檢查管道系統的安全性［1］。

1 主蒸汽管道焊口泄漏

某發電公司1#鍋爐系上海鍋爐廠生產的亞臨界強制循環汽包爐，配套的發電機組容量為300 MW，主蒸汽管道材質為SA335P22，規格為?534.5 mm ×83.1 mm。

為了便于汽機熱態時進行鍋爐水壓試驗，1996年10月，在23米層主蒸汽管道水平段10#恒吊與11#恒吊間安裝了水壓試驗隔離閥。2011年6月，在鍋爐23米層主蒸汽管道水壓試驗隔離閥旁，發現蒸汽噴出的巨大異響，緊急停爐后發現主蒸汽管道與水壓試驗隔離閥焊口(靠近鍋爐側)發生開裂(見圖1，2)。

2 裂紋形貌分析

裂紋產生于鍋爐側大小頭焊縫的熱影響區，裂紋距離熔合線2～4 mm，與熔合線平行，焊口外壁開裂940 mm，長度超過半圈(從3點鐘位置至9點鐘位置，正下方為6點鐘位置)，最大開裂部分在正下方，裂紋開口3 mm左右，焊口內壁開裂300 mm，長度不到1/3圈。說明起裂點位于正下方，裂紋從外壁往內壁擴展。

從斷口處形貌圖可知(如圖3所示)，主裂紋周圍分布著密集的蠕變空洞及由蠕變空洞串聯而成的微裂紋?？梢姅嗫谛蚊簿哂械湫蛻﹂_裂的特征。

3 管系應力分析

圖3 斷口形貌及周圍蠕變空洞和微裂紋

在汽水管道應力分析中，一般將應力劃分為一次應力和二次應力［2］。一次應力是由于壓力、重力及其他外力作用所產生的應力。它是平衡外力荷載所需的應力，隨外力荷載的增加而增加。一次應力的特點是沒有自限性，即當管道內的塑性區擴展達到極限狀態，使之變成幾何可變的機構時，即使外力荷載不再增加，管道仍將產生不可限制的塑性流動［3］，直至破壞?？梢娨淮螒艿腊踩晕：ψ畲?。

一次應力計算公式如下［2］:

式中 i——應力增加系數

MA——持續載荷作用在管道橫截面上的合成力矩

W——管道抗彎矩

p——介質壓力

Di——管道內徑

Do——管道外徑

二次應力是由于管道變形受到約束而產生的應力，它由管道熱脹、冷縮、端點位移等位移荷載的作用而引起。二次應力的特點是具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身變形的連續要求得到滿足，從而變形不再繼續增大。二次應力是管道疲勞破壞的主要原因。

二次應力計算公式如下［2］:

式中 Mc——熱脹引起的合成力矩

文中分別在安裝隔離閥前及安裝隔離閥后的狀況下，對管系進行了應力校核。計算參數如表1所示。

表1 計算參數

3.1 水壓試驗隔離閥安裝前應力計算結果及分析

未安裝水壓試驗隔離閥前，在10#恒吊與11#恒吊之間是一段完整的主蒸汽管道，建立模型如圖4所示，給定這段管道節點號為220～250。

圖4 未裝閥門前建模

由計算結果可知，當前狀況下主蒸汽管道最大一次應力為30.7 MPa，最大應力點位于汽機側的15#恒吊處(如圖4所示);管道最大二次應力為78 MPa，，位于16#恒吊處。未裝閥門前，對于10#，11#恒吊間管道，一次應力約為27 MPa，對應此處的彎曲應力為11 MPa左右?？梢娝畨涸囼灨綦x閥未安裝前，管道的一、二次應力均未超標，而且最大應力點均不在10#恒吊與11#恒吊之間。

3.2 水壓試驗隔離閥安裝后應力計算結果及分析

安裝水壓試驗隔離閥后，管道的最大二次應力為78 MPa，最大二次應力點仍位于汽機側的16#恒吊處。可見安裝水壓試驗隔離閥后，管系的二次應力變化不大，計算結果仍為合格。

安裝水壓試驗隔離閥后，管系的一次最大應力急劇增大至58 MPa，超過標準許可(在541℃時，SA335P22的一次應力許用值為53 MPa)，最大應力點位于10#恒吊與11#恒吊間管道與閥門的對接焊縫上，計算結果如圖5所示。

圖5 安裝閥門后計算結果

該區域一次應力增大的原因是:閥門安裝后，閥門重量的增加使式(1)中的合成力矩MA增大(從圖5可知，彎曲應力從安裝閥門前的11 MPa上升至56 MPa)。這與焊縫正下方(6點鐘位置)承受急劇變大拉應力的實際情況相吻合。

4 爆泄的原因分析及處理方案

經過以上的斷口分析及管道應力分析可知:安裝水壓試驗隔離閥后，管系在10#恒吊與11#恒吊間一次應力超標，導致閥門與管道對接焊縫承受急劇增大的彎曲應力。因為許用應力有1.5倍的安全系數，即使一次應力達到或略超其允許值，管道在中短期運行時間內發生開裂的概率較低，所以管道可以從1996年運行至2011年6月(累計11.9 萬 h)。

但是該區域的一次應力59 MPa，已經很接近540 ℃下 P22 的持久強度 σ105(69 MPa［4］)，而且該焊縫是結構突變嚴重的大小頭，于是在最為薄弱的焊縫熱影響區產生了蠕變空洞，蠕變空洞串聯形成微裂紋，在急劇增大的拉應力作用下，管道焊縫正下方開裂，裂紋由外至內擴展，最終導致泄漏。

處理方案確定為拆掉閥門，重新在10#恒吊與11#恒吊間安裝管道。

本方案的優點:

(1)通過調整方案的實施，可以大幅度地降低管系的一次應力，確保應力水平滿足規范的要求;

(2)本方案容易實施，安裝方便;

(3)可以避免已經產生蠕變空洞的管道繼續服役。

5 結論

從管系的應力分析及斷口的形貌分析可知，安裝水壓試驗隔離閥后，閥門的重量使管道所承受的彎矩增加，導致該區域一次應力增大并超過標準許可，從而使焊接接頭應力集中部位提前發生蠕變斷裂。

6 建議

對高溫高壓管道進行改造，需重新根據實際數據對管系進行應力分析，確保管系的應力水平滿足相關規范要求，當管系應力不合格或者變化比較大時，應當對管系進行適當的調整。

［1］DL/T 616—2006，火力發電廠汽水管道與支吊架維修調整導則［S］.

［2］DL/T 5366—2006，火力發電廠汽水管道應力計算技術規程［S］.

［3］周文.主蒸汽管道裂紋產生原因分析及處理對策［J］.壓力容器，2010，27(8):47 －50.

［4］火力發電廠金屬材料手冊［M］.北京:中國電力出版社，2000:149