核電廠汽輪機(jī)導(dǎo)汽管壓力測量儀表管道斷裂原因分析

李 錢

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

核電廠啟停機(jī)過程中或處于較低的功率平臺時，主管道內(nèi)因蒸汽狀態(tài)不穩(wěn)定而產(chǎn)生振動，對測量儀表小管形成激勵，導(dǎo)致儀表小管在較高的振動應(yīng)力下發(fā)生疲勞斷裂。本文分析了某核電廠汽輪機(jī)進(jìn)汽管道儀表管斷裂的原因，并提出了改進(jìn)建議。

1 管道斷裂情況概述

某核電廠2號機(jī)組升功率至383 MW時，汽輪機(jī)高壓缸主蒸汽導(dǎo)汽管壓力測量儀表管斷裂，無法實(shí)施在線隔離，汽輪機(jī)打閘停機(jī)。管道連接方式如圖1所示。由圖1可知，轉(zhuǎn)接頭外表面結(jié)構(gòu)是螺紋以及一段非圓滑過渡的六面體，轉(zhuǎn)接頭通過一部分螺紋旋合在BOSS頭內(nèi)并進(jìn)行承插焊，而儀表管和轉(zhuǎn)接頭也是通過承插焊連接。

圖1 導(dǎo)汽管BOSS頭與儀表管連接結(jié)構(gòu)圖

2 管道斷裂原因分析

2.1 儀表管型號分析

根據(jù)《發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》，對于外徑與內(nèi)徑之比小于或等于1.7的管道，在設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度下所需的管子最小壁厚按如下公式計(jì)算：

式中：p—道中介質(zhì)的設(shè)計(jì)壓力（MPa）；D0—管子外徑，取用最大外徑（mm）；η—鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（MPa），取87 MPa；Y—修正系數(shù)，取0.4；η—許用應(yīng)力修正系數(shù)，無縫鋼管取1.0；α—有腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求的附加厚度（mm），一般蒸汽管道和水管道可不計(jì)腐蝕和磨損的影響，這里取0。

考慮管道偏差影響，管道承壓的計(jì)算壁厚為：

式中：SC—管道的計(jì)算壁厚（mm）；c—管子壁厚負(fù)偏差的附加值（mm），對于熱軋無縫鋼管，管子壁厚負(fù)偏差的附加值按如下計(jì)算：

式中：m—管子產(chǎn)品技術(shù)條件中規(guī)定的壁厚允許負(fù)偏差（%），取15%。

本案例中，導(dǎo)汽管壓力為6.43 MPa，設(shè)計(jì)時壓力取10 MPa，溫度為280.1 ℃，計(jì)算得壁厚為1.03 mm就能滿足管道承壓要求。而現(xiàn)場使用的儀表管選用φ16 mm的316不銹鋼，壁厚為3 mm，滿足要求。

2.2 管材分析

對轉(zhuǎn)接頭及儀表管進(jìn)行光譜分析，其中轉(zhuǎn)接頭的典型化學(xué)成分含量：Cr含量為20.23%、Ni含量為8.01%，與304不銹鋼匹配；儀表管光譜分析典型化學(xué)成分含量：Cr含量為16.20%、Ni含量為8.05%，成分與1Cr18Ni9Ti匹配。因此轉(zhuǎn)接頭與儀表管道的材質(zhì)均符合要求。

2.3 焊縫分析

斷裂試樣有2組，經(jīng)檢查斷口外表面較平直，斷口邊緣表面未見塑性變形，其中1號試樣有長約8 mm的斷口在焊趾，其余斷口均斷裂在角焊縫內(nèi)。斷裂試樣拼合后形成完整的角焊縫外觀形貌，焊趾未見咬邊、未熔合等缺陷；2號試樣焊縫表面波紋正常，未見溝槽、凹坑、氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

對兩組斷裂試樣焊縫截面進(jìn)行顯微金相觀察，在低倍顯微鏡下觀察，角焊縫是分層焊接，清晰可辨L1、L2兩層焊縫，且層道間熔合良好，焊縫截面內(nèi)未見缺陷；焊縫與兩側(cè)母材之間的熔合線部位未見顯微缺陷；焊縫組織為典型的枝晶組織，未見裂紋、孔洞等顯微缺陷。

通過以上分析，可見轉(zhuǎn)接頭與儀表管的焊接工藝滿足要求，并未產(chǎn)生缺陷。

2.4 斷口分析

對試樣斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，在斷口上發(fā)現(xiàn)了典型的疲勞斷裂特征，對其進(jìn)行放大可見斷口早期相互摩擦形成較為光亮的脊線，對脊線區(qū)域進(jìn)一步放大，可見在脊線附近相互擠壓形成表面粗糙的臺階，在裂紋源附近發(fā)現(xiàn)早期的疲勞條帶，并且在裂紋源附近發(fā)現(xiàn)了滑移特征，從1號試樣的斷口表面可以發(fā)現(xiàn)典型的疲勞裂紋擴(kuò)展特征。

通過對試樣進(jìn)行的試驗(yàn)分析，試樣斷口為疲勞斷口，斷口的啟裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)特征明顯，與疲勞斷口特征相符。

2.5 管道振動

根據(jù)機(jī)組數(shù)次啟動過程中的振動測量數(shù)據(jù)，沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)過程中，測量儀表管線所在的主蒸汽導(dǎo)管最大瞬態(tài)振動值在18 mm/s附近波動，小于其許用限值35.54 mm/s，即測量儀表管線所在管系振動符合要求。

對測量儀表管道進(jìn)行建模計(jì)算，結(jié)果顯示，在機(jī)組并網(wǎng)升功率過程中，主蒸汽導(dǎo)汽管振動值不超標(biāo)的情況下，儀表管斷裂處的振動應(yīng)力值遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)允許限制34.2 MPa，易導(dǎo)致儀表管道發(fā)生疲勞斷裂。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 測量儀表管道建模計(jì)算結(jié)果

機(jī)組在啟停機(jī)階段以及功率平臺比較低的時候，蒸汽各參數(shù)均不穩(wěn)定，管系存在振動，從而會給小的測量儀表管道形成激勵，致使儀表管斷口處承載的振動交變應(yīng)力值大于其允許限值，導(dǎo)致小管道疲勞斷裂。

3 改進(jìn)建議

在機(jī)組啟停機(jī)或者功率平臺較低階段，儀表管斷口處承載的振動交變應(yīng)力值遠(yuǎn)大于其允許限值，承插焊焊縫的承載力不足且易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此建議采用對接焊。轉(zhuǎn)接頭與儀表管壁厚差別較大，為避免異徑錯邊的焊接，可將轉(zhuǎn)接頭加工成變徑轉(zhuǎn)接頭連接（見圖2），通過這兩項(xiàng)改進(jìn)，儀表管道在機(jī)組啟停機(jī)以及功率平臺較低時未再發(fā)生過斷裂的情況。

圖2 對接焊與變徑轉(zhuǎn)接頭示意圖

4 結(jié)語

汽輪機(jī)組儀表管道斷裂失效故障仍時有發(fā)生，對于管道連接形式、焊接方式仍需不斷總結(jié)深化。本文從多個方面對測量儀表管道斷裂進(jìn)行了分析討論：（1）對于重要敏感管道，由于導(dǎo)汽管工況存在變化，導(dǎo)致儀表管連接部位存在振動，在設(shè)計(jì)時需要考慮管道的振動應(yīng)力校核。（2）儀表管道與導(dǎo)汽管連接部位，通過采用對接焊可有效應(yīng)對主管帶來的不利影響，增加結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度。（3）不同尺寸管件的連接，采用變徑轉(zhuǎn)接頭能有效改變管道局部受力，提高結(jié)構(gòu)連接的可靠性。