火電機組承壓部件失效典型應力集中因素分析

張立新

（國電菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤 274032）

0 引言

在火電機組中，有多個高溫高壓及高速轉動的部件，這些部件上留有開孔、溝槽、缺口、臺階、尖角等，會引起應力集中，從而削弱構件的強度，降低構件的承載能力。應力集中是引起構件失效的主要因素，大部分承壓部件的斷裂失效破壞事故是由應力集中引起的。因此，為確保火電機組的安全經(jīng)濟運行，必須科學地分析和處理構件的應力集中問題。

1 應力集中影響因素

在工程力學中，等直桿軸向拉伸或壓縮時，其橫截面上的應力是均勻分布的。但是，工程實際中因結構需要，往往在桿中開孔、切槽或?qū)U制成階梯形等，這就使得桿的局部區(qū)段的截面尺寸發(fā)生急劇變化［1］。由實驗得知，在桿件尺寸突然改變的橫截面上，正應力不再是均勻分布的，局部應力急劇增大。如圖1所示，鉆有圓孔的板條，受軸向拉力F作用時，在孔口邊緣附近的局部區(qū)域內(nèi)，應力急劇增大，邊緣處達到最大值σmax。

圖1 鉆有圓孔的板條應力分布示意

應力集中的程度常用理論應力集中因數(shù)Ktσ表示，其定義為

式中：σmax為發(fā)生應力集中的截面上的最大應力；σm為同一截面上的平均應力；Ktσ是一個大于 1的系數(shù)。

實驗結果表明：截面尺寸改變得越急劇、角越尖、孔越小，應力集中的程度就越嚴重。因此，在桿件上應盡可能避免尖角、槽和小孔，在階梯軸肩處應采用圓弧過渡，且過渡圓弧半徑盡可能大［1］。

構件中產(chǎn)生應力集中的原因主要有：

1）截面的急劇變化，如構件中的管孔、鍵槽、缺口、臺階等。

2）受集中力作用，如閥門中承受閥芯沖擊的閥座、支吊架支撐的管道等。

3）材料本身的不連續(xù)性。焊接接頭中，即使努力消除各種結構上的不均勻，因接頭材質(zhì)、組織與母材不同，應力往往集中于熔合線附近。異種鋼焊接接頭，焊接缺陷，大型鑄件中的夾雜、氣孔、白點、疏松、裂紋等，都可導致材料的不連續(xù)。

4）構件在制造或裝配過程中，由于強拉伸、冷加工、熱處理、焊接等而引起殘余應力。這些殘余應力疊加工作應力后，可能出現(xiàn)較大的應力集中。

2 火電機組承壓部件典型應力集中實例分析

2.1 焊縫

因焊縫存在余高、內(nèi)凹及內(nèi)部缺陷，金相組織也與母材有較大差異，焊縫及焊接熱影響區(qū)往往成為整個部件中的應力集中區(qū)域，如圖2所示。其中，焊接熱影響區(qū)中的熔合線是其最為薄弱的位置。焊接缺陷中，裂紋是最危險的一類缺陷。其他焊接缺陷在部件運行過程中也有產(chǎn)生裂紋的可能。而咬邊缺陷出現(xiàn)在熔合線［2］（圖2中的熔合區(qū)）上，加劇了應力集中的程度，所以應盡量避免；若有出現(xiàn)，應視情況平滑過渡或焊補。

焊接接頭的質(zhì)量直接影響承壓部件的使用壽命和安全性。作為承壓部件中最為普遍的一類結構，焊縫應是每次檢修檢測中需要關注的重點。

圖2 不易淬火鋼焊縫及熱影響區(qū)

除焊縫內(nèi)部缺陷外，焊縫布置方式不當引起的缺陷比較容易被忽視。大口徑焊縫的錯口，小口徑焊縫的角變形，同一管道上相鄰兩焊縫距離過近，焊縫距管道彎曲起點、支吊架過近、壓力容器上支管焊縫距管孔過近等，這些缺陷極易造成應力集中，都應在設計之初予以重視，施工時積極改正，監(jiān)督時重點關注。

2.2 管座（管孔）

管座一般是焊接在承壓部件的管孔外部，用來連接承壓部件的引出管的，根據(jù)用途可以分為聯(lián)箱或容器的進出管排管座、管道的疏水管座、各類測量管座、向空排汽管座、放空氣管座、安全閥管座等。

2.2.1 聯(lián)箱管排管座

這一類管座其材質(zhì)規(guī)格一般與管排相同，主要應力集中點在管座焊接接頭、管座角焊縫及聯(lián)箱筒體管孔之間。以下所有實例中，部件均經(jīng)過光譜驗證材質(zhì)無誤；硬度正常，壁厚無明顯減薄，金相組織正常無明顯老化。

實例1：圖3所示為再熱器入口聯(lián)箱，管座為管排管座，管座角焊縫上熔合線處開裂，蒸汽泄漏后沖刷聯(lián)箱筒體，造成表面沖刷凹坑兩處，深約10 mm。

實例2：圖4所示為再熱器入口聯(lián)箱筒體部分開裂。裂紋位于聯(lián)箱管排管孔之間。經(jīng)超聲波探傷，開裂位置下部兩管孔之間筒體內(nèi)壁也有強烈反射。

圖3 再熱器入口聯(lián)箱管座泄漏

圖4 再熱器入口聯(lián)箱筒體部分開裂

2.2.2 管道的疏水管座、各類測量管座和放空氣管座

此類管座材質(zhì)規(guī)格可能與引出管不同，焊接接頭可能為異種鋼接頭。因規(guī)格不一致，往往用大小頭來連接管座與引出管。所以此類焊接接頭易產(chǎn)生應力集中。

對于此類接頭，應盡力避免大小頭過渡突兀，焊接應力或管系應力過大以及角變形。應合理設計管系走向，避免管道膨脹受阻；加強焊接管理和檢驗，消除焊接缺陷，減少焊接應力。

實例3：圖5所示為主蒸汽管道水平段疏水管座，管道材質(zhì)為P91鋼，管座材質(zhì)F91鋼，疏水管材質(zhì)12 Cr1MoV鋼。在某次機組啟動過程中，圖示箭頭位置突然開裂，經(jīng)宏觀檢查，該焊縫存在明顯的角變形，開裂位置位于焊縫的下熔合線。

實例4：圖6所示為氫氣干燥器疏水短節(jié)，箭頭所示為開裂焊縫的熔合線。該短節(jié)長度過短，管道無膨脹余量。

圖5 主蒸汽管道水平段疏水管座

圖6 氫氣干燥器疏水短節(jié)

2.2.3 聯(lián)箱向空排汽管座

機組在緊急停機時會使用向空排汽管道排出鍋爐中多余的蒸汽。向空排汽管路一般設置在高溫過熱器出口聯(lián)箱和高溫再熱器出口聯(lián)箱，排汽由電動閥門控制，蒸汽排向爐頂外大氣。管系過長或設計不合理，會造成管座、對接焊縫甚至聯(lián)箱的損壞。

圖7是再熱器向空排汽管座大小頭上焊縫東側內(nèi)部存在水平裂紋A，裂紋不連續(xù)，位于焊縫和熱影響區(qū)；裂紋B位于熔合線下部，大小頭上部內(nèi)側，縱向發(fā)展，焊縫內(nèi)部表面存在龜裂現(xiàn)象。圖8是向空排汽管道的實際大致走向。圖外未顯示的管道還有十余米，且非直管段。這種管系的設計，導致機組正常運行時蒸汽在過長的管道末端凝結，凝結水順管道走勢下行，在管座對接焊縫位置產(chǎn)生了冷熱交變應力，形成疲勞裂紋B。鍋爐排汽時，因管道膨脹拉伸，對接焊縫處的疲勞裂紋沿焊縫連接擴展形成了水平（近似）裂紋A。

2.3 彎頭

彎頭的壁厚一般大于與其連接的管道壁厚，在進行焊接之前，往往對彎頭或管道的內(nèi)外壁進行修磨，以減少壁厚的突變，利于對口。但由于加工工藝及加工質(zhì)量、管道走向、彎頭型式限制，經(jīng)常發(fā)生彎頭附近存在應力集中導致部件失效的情況。

圖7 再熱器向空排汽管座裂紋

圖8 再熱器向空排汽管座管系

2.3.1 直插式方彎頭

此類彎頭一般用于小徑管，壁厚較彎管為厚，耐沖刷。但另一面，因外部結構為方形且壁厚較大，故剛性也大，不利于管道膨脹。某公司汽機本體疏水改造時曾把原來的彎管全部更換為方彎頭，但管路未改動，結果機組運行時較短管路的彎頭焊縫頻頻開裂導致泄漏。經(jīng)過分析，決定延長這些疏水管道，改造后此故障消失。

2.3.2 大口徑彎頭（不帶直管段）

大口徑管道對接難度較大，一般都需要經(jīng)過內(nèi)外壁修磨。即使修磨，也難以避免錯口的出現(xiàn)。對于彎頭與直管的對接更是如此。錯口及內(nèi)壁修磨的溝槽、臺階內(nèi)是應力集中區(qū)。

圖9所示為壁式再熱器至中溫再熱器連接管彎頭與直管段對接焊縫。直管厚度20 mm，彎頭厚度32 mm。彎頭內(nèi)外壁均有修磨，其中外壁有臺階，內(nèi)壁有臺階和溝槽。該焊縫上部熔合線以上6 mm處開裂導致泄漏，對彎頭進行超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有強烈反射；挖補裂紋時經(jīng)目視驗證，彎頭內(nèi)壁有較深的溝槽，該裂紋是從溝槽處產(chǎn)生并擴展的。

圖9 壁再至中再連接管彎頭

2.4 承受交變應力的閥座及減溫器

在承受交變應力的閥座結合面，為了固定結合面，有時進行堆焊，堆焊焊縫為應力集中區(qū)；運行中閥座結合面頻繁承受交變沖擊，兩種應力具有疊加效應，此處焊縫往往成為裂紋源。

對于噴水減溫器而言，噴頭結構形式、安裝質(zhì)量、運行方式均對減溫器筒體承受的交變應力有影響。在交變應力作用下，筒體內(nèi)壁容易產(chǎn)生裂紋，裂紋形式一般為龜裂，裂紋從筒體內(nèi)壁開裂，起初比較細小，隨運行時間慢慢增長，最終因管系軸向應力影響連接成與應力方向垂直的外部開口裂紋，造成減溫器甚至后面的聯(lián)箱開裂。圖10所示為高溫再熱器入口聯(lián)箱，開裂位置位于減溫器彎頭后，該裂紋處聯(lián)箱內(nèi)壁已產(chǎn)生龜裂。

圖10 高溫再熱器入口聯(lián)箱

2.5 高溫緊固件

雙頭等腰螺栓光桿部分直徑與螺紋相等，無過渡圓角，應力集中嚴重，故只能用于非高溫高壓的場合。電廠高溫緊固件大多常采用細腰柔性螺栓［3］。螺栓在使用中會承受以下應力，這些應力都可能造成螺栓提前失效。

1）初緊應力。應按照設計要求的扭矩，使用扭矩扳手控制初緊應力。

2）法蘭結合面的拉力。正常運行時，高溫高壓的蒸汽壓力作用于結合面上，對螺栓產(chǎn)生拉力。

3）加熱孔熱應力和拆卸時不當?shù)募訜帷Ｈ舭惭b時操作不當或加熱設備故障，螺栓加熱孔會承受過大的熱應力；當螺栓拆卸困難時，會采用火焰加熱炙烤，若沒有有效的溫度控制措施，很容易改變螺栓螺母金相組織，導致部件失效。

4）暴力拆卸。當螺栓拆卸困難時還會采用錘擊的方法。這種方法難以控制扭矩，往往造成螺栓不可逆轉的損壞。

由于以上應力的影響，螺栓裂紋可能發(fā)生在：栽絲端第一二絲扣處；螺栓腰部；加熱孔內(nèi)部；退刀槽等截面突變處。對高溫緊固件的運行監(jiān)督，主要是強度硬度的測試和裂紋檢查，對裂紋進行排查時，必須嚴密謹慎，不放過任何可疑信號。

2.6 鰭片管

從幾何角度看，鰭片式受熱面管屬于平面與曲面相交的部件。若處理得當，兩面相交的位置并不一定成為應力集中的地方。但由于制作工藝和設計原因，在點焊位置、膨脹受阻位置、鰭片終點都有可能產(chǎn)生嚴重的應力集中，造成受熱面管拉裂。此類部件主要有：鰭片式水冷壁、包墻（包覆）過熱器、隔墻省煤器、旁路省煤器等。以上部件均對應力集中部位加大防磨防爆檢查的力度。

2.7 大型鑄件

電廠主汽門、高調(diào)門、中壓主汽門、汽缸都屬于大型鑄件，大型鑄件的應力釋放是個緩慢的過程，這個過程不僅包含制造階段，還涵蓋部件服役的整個過程。應力釋放的過程，往往伴隨著裂紋的產(chǎn)生。鑄件的殼體、缸體外表面的夾角、凸起都屬于應力集中的部位。利用每次大修的機會對這些部位進行監(jiān)督檢驗以消除隱患很有必要。

2.8 汽機轉子圍帶

汽輪機轉子頂端圍帶的作用是約束葉片的振動，一般為類似于開孔的扁鋼帶，用鉚釘固定在葉片頂端。圍帶在轉子高速旋轉中承受離心力、鉚釘?shù)膲毫Α⑷~片的膨脹拉力、汽流的沖擊等，受力情況復雜，若設計、制造不當，很容易出現(xiàn)鉚釘孔之間開裂、鉚釘孔邊緣開裂，在巨大的離心力的拉扯下，圍帶會開裂脫落，所在的葉片甚至整個轉子、隔板也會受損。圖11所示為汽輪機低壓轉子電機側第三級，葉片斷裂了50%（寬度方向），對應所在的圍帶上有明顯裂紋，如圖12。

圖11 低壓轉子電機側第三級葉片開裂

圖12 低壓轉子電機側第三級圍帶開裂

3 避免部件應力集中應采取的措施

根據(jù)零件的受力情況選擇適當?shù)拈_孔部位。孔一般應開在低應力區(qū)，如必須開在高應力區(qū)，則應采取補強措施［4］。開孔的位置應盡量避開高應力區(qū)，并避免因管孔間相互影響而造成應力集中系數(shù)增高。

改善構件外形，盡量減少截面的突然變化，如尖角、棱角，改為過渡圓角，適當增大過渡圓弧的半徑。

高溫緊固件選取缺口敏感度低的材料，采用細腰柔性結構。

承壓部件的設計安裝應進行應力計算，合理分配應力；支吊架設計應適當，避免應力集中；機組運行檢修中，管道、聯(lián)箱、受熱面等的支吊架應進行計算和調(diào)整。

加強焊接管理，嚴格執(zhí)行焊接驗收程序，盡力避免和消除焊接殘余應力、焊接缺陷。

防磨防爆檢查應根據(jù)機組運行實際梳理各類應力集中點及隱患，列出詳細的檢查計劃并嚴格執(zhí)行。

大型鑄件的應力釋放有一個緩慢的過程，應加強對高溫高壓閥門、汽缸的應力集中部位的定期監(jiān)督檢驗。

承壓部件的應力集中現(xiàn)象普遍存在，此類部件的安全監(jiān)督工作任重道遠，應加強運行、檢修人員的技術培訓，提高監(jiān)督質(zhì)量和運行水平。

4 結語

通過對電廠承壓部件典型失效實例的研究，可見應力集中在部件斷裂失效中起了關鍵作用。這些引起應力集中的因素一般為構件截面的急劇變化、部件承受的集中外力作用、材料本身的不連續(xù)性、殘余應力疊加上工作應力。不同的實例，應力集中因素不盡相同。有時不是單一因素起作用，而是多個因素綜合作用。所以，進行事故分析必須根據(jù)現(xiàn)場實際進行，匯總整理各方信息。應力集中不一定引起承壓部件事故，但承壓部件斷裂事故中一般有應力集中因素的存在。斷裂分析中找到應力集中點，從該點出發(fā)進行應力分析和斷裂力學分析［5］，可以幫助查找事故原因。監(jiān)督檢驗是預防事故的重要手段，而應力分析不僅是監(jiān)督檢驗的理論依據(jù)，也可指導承壓部件的設計制造、運行維護。