多汽源高溫差分汽缸泄漏原因的分析

摘 要：分汽缸作為一種常見的熱能動力機械被用于多種動力設備之中，在運作時承擔熱負荷與機械負荷，汽缸是承受載荷壓力最大且最復雜的零部件。基于此，本文將分析多氣源分汽缸在高溫差條件下的罐體出現的裂紋和泄漏問題，并探究解決多汽源高溫差分汽缸出現泄漏的方法，以保障汽缸能夠高效運轉。

關鍵詞：分汽缸;高溫差;熱疲勞

引言：在運作過程中會有很大一部分內缸構件受到熱力載荷，在循環熱力載荷的作用下容易產生疲勞裂紋，從而使汽缸產生裂縫，導致汽缸泄漏。需要結合實際情況對汽缸泄漏原因進行分析。

1多汽源高溫差分汽缸泄漏及裂紋原因

1.1裂紋性質

對分汽缸存在的泄露及內部裂紋分布情況進行分析后可以發現，雖然分汽缸內部大部分都存有裂紋，但并非相對均勻地分布在汽缸內表面，裂紋大部分集中在特定區域之間。此區域恰巧是高低溫蒸汽入口位置，在焊縫和母材上都有線性裂紋，也有部分圓形或半圓形裂紋。根據裂紋分布及形狀可以分析出這些裂紋問題不是由于強度不足所引起的損壞。而且從裂紋分布來看，并非由管道振動引起的疲勞裂紋，否則在進汽管線振動位置應當產生更多的疲勞裂紋，不過實際情況卻并非如此。檢查進汽管線，有多個彎管且柔性很好，在實際運用中也未發生過異常振動，證明疲勞裂紋并非由管線振動引發的。既然裂紋的產生需要交變應力的作用，而外部未向汽缸施加交變應力，這就說明交變應力的來源是在內部。而內部交變應力的產生有兩種情況。一種是內部壓力變化對汽缸內部造成破壞，另一種而是內部介質溫度變化引發的溫度應力。如果是壓力變化引起的疲勞裂紋，在裂紋分布上應當更加分散且均勻，而且汽缸罐體本身較為穩定，不容易對容器內部造成損害。那么基本可以確定造成裂紋的原因是溫度應力引起的熱疲勞裂紋。

1.2溫度交變應力

溫度交變應力的形成是高溫管和低溫管同時向汽缸內部供汽時所產生的，兩個管道內的壓力在不斷變化，而隨著壓力變化，進入管道內的冷熱氣團在汽缸內的分布情況也會隨之發生變化。原本與冷氣團接觸的罐體表面在迅速接觸到熱氣團后，會造成罐體表面迅速升溫，罐體表面的材料就會產生膨脹效應，但受限于板材限制無法膨脹，就會轉變為較大的內應力，這一應力就是溫度應力。從實際情況來看，壓力降低，體積膨脹，溫度也會降低，考慮到熱傳遞的影響，汽缸內溫差很難超過100℃左右，在分析計算中考慮溫度應力可能出現的最大值即可[1]。

在高溫管壓力升高或低溫管壓力降低時，原先低溫氣團存在的區域就會被高溫氣團取代，罐體表面迅速升溫，產生溫度應力，應力拉伸變為壓縮。而當低溫管壓力升高或高溫管壓力降低時，原先高溫氣團存在的區域被低溫氣團取代，溫度較高的罐體表面會降低，罐體材料出現收縮趨勢，而周圍材料的限制導致無法正常收縮，溫度應力再次出現，產生拉伸應力。在反復拉伸和壓縮狀況下就會產生交變應力，從而出現裂紋。從具體裂紋分布來看，在低溫管附近的裂紋要多于高溫管附近的裂紋，證明低溫管位置受溫度應力影響更大，裂紋深度和長度也更嚴重。

1.3金相分析

對分汽缸管道裂紋處取樣進行進項分析。宏觀金相可以看出主要斷裂痕跡是從內壁向外擴展，斷口沿晶開裂，少量穿晶開裂，而主裂紋附近有大量沿晶開裂的二次裂紋，尖端為沿晶分支裂紋，附近組織為鐵素體、珠光體和少量魏氏體。晶粒度為7級。微觀表現以沿晶分布特征。金相分析只能檢測外觀未腐蝕變形、未發生塑性變形等缺陷，以及主要裂紋的真實分布區域，對于是否由溫度應力引起裂紋原因的判斷依據不足，但可以有效排除其他一些引發裂紋的原因。

1.4能譜分析

通過電子顯微鏡掃描分汽缸低溫管口與罐體開裂端口處試樣，可以分辨出端口主要為沿晶端口，可見沿晶二次裂紋，在對斷口處采用5%稀鹽酸進行清洗后，沿晶二次裂紋沒有明顯變化。而采取X射線能譜儀對分汽缸裂紋表面進行元素種類和含量分析，經裂紋分析檢測發現，裂紋內壁及斷口表面雖然存在一定量元素，但都屬于分汽缸內正常沉積的混合物，而分汽缸內殘余水蒸氣結晶物較多，在非腐蝕作用下，只能是溫度變化導致水蒸氣的大量產生，可以憑借能譜與顯微鏡分析得出導致分汽缸出現裂紋的主要原因是溫度變化產生的溫度應力。

2分汽缸泄漏及裂紋原因綜合分析

在諸多分析后，可以得出在交變應力作用下，根據疲勞失效理論，在金屬中位置不利或較弱晶體會選擇最大剪應力作用面形成滑移帶，滑移帶開裂后形成的沿晶裂紋便是交變應力作用下產生的，裂紋如果長期處在這一狀態下，就會發生開裂、泄漏等問題。不過，除了高低溫管附近有明顯缺陷裂紋外，還有個別裂紋分布在分汽缸內部，包括縱焊縫、受力位置。這些位置也是容易受到交變應力集中的區域，是容易發生裂紋的位置。究其原因可能是由于氣體運動較快，溫度很難快速平衡，氣團交匯產生的漩渦會分布到容器的各個角落，其中較為密集的區域也會產生裂紋，這也是受到溫度應力的作用而產生的。

3多汽源高溫差分汽缸使用建議

3.1溫度應力處理

溫度應力導致的交變應力所產生的裂紋或泄露現象處理，在設計多汽源高溫差分汽缸時，應當避免兩個汽源使用同一分汽缸，若確實需要共同使用，則兩個汽源應當遠離設置，并且在分汽缸內設置內件，防治高低溫蒸汽頻繁交匯引發溫度應力問題。盡可能讓蒸汽在分汽缸容器中心部位進行溫度平衡，或是讓壓力平穩變化。另外，在溫度應力低于疲勞極限，或是溫度差小于高低溫管傳遞參數，可以不用考慮溫度應力對分汽缸罐體的影響。

3.2加強安裝質量

在壓力管道的設計安裝過程中，需要嚴格按照相關技術標準和規范要求，不得因設備需求而隨意降低技術標準，避免產生不安全因素。對于具有溫度應力的多汽源高溫差分汽缸設計時就要在最低位設置相應的管道和設備技術措施，來避免溫度變化過快，或是就分汽缸內部罐體材料進行處理，使材料能夠應對溫度應力帶來的拉伸和壓縮變化。

結論：綜上所述，在分析多汽源高溫差分汽缸造成出現裂紋及泄漏的原因后能夠明確分汽缸在多汽源情況下會因為高溫差變化帶來溫度應力，從而引發交變應力，致使分汽缸罐體容器內部出現裂紋。對于此種情況和問題，需要加強對高溫差變化帶來的影響，降低汽缸內部產生熱疲勞效應，保障分汽缸的使用壽命。

參考文獻：

[1]胡利晨，陳文飛，胡煒煒，等.中壓分汽缸材質裂化案例分析[J].中國特種設備安全，2020，36（05）：76-80.

作者簡介：

丁志浩，男;出生年月：1993.2.28;籍貫：山東省招遠市;民族：漢;最高學歷：大學本科;目前職稱：助理工程師;研究方向：特種設備檢驗、檢測。