防止电站锅炉安全阀连接焊缝失效的方法

王 宾，荆洪阳，李庆钊

（1.军事交通学院装运机械系，天津市，300161；2.天津大学材料科学与工程学院，天津市，300072；3.天津电力公司，天津市，300561）

0 引言

目前，在锅炉热管失效的事例中，安全阀与设备连接焊缝频繁出现裂纹已成为一个非常突出的问题。由于安全阀动作时，对管道产生很大的排汽反力，往往导致焊缝开裂，其失效后高压、高温蒸汽对设备、人身安全的危害极大。因此，研究预防电力设备安全阀连接焊缝失效的方法对电力安全生产具有十分重要的现实意义。

为了防止焊缝出现裂纹，需要对焊缝进行材料性能和应力分析，分析其可能的失效原因。以天津某电厂为例，该厂机组已累计运行12万h，为了了解管道在使用中组织、性能的变化以及安全阀动作时的焊缝应力状况，对管材试样进行了化学成分分析、力学性能试验、金相分析和高温拉伸性能试验，并对管道进行了有限元数值分析，以便获得连接焊缝部位在安全阀动作时的应力状况。

1 化学成分分析

本试验所用的材料为锅炉管道监督段切取的带有环焊缝的直管段，其化学成分见表1。由表l可知，监督段部分材料在高温和应力条件下运行12万h之后其化学成分变化不大，基本符合国家标准。

2 显微组织分析

监督段管道母材显微组织如图1所示，其组织接近于完全球化，其中白色晶粒为铁素体，黑色晶粒为碳化物，在原珠光体位置的碳化物已经完全球化，球化级别为3.5级。另外，在铁素体的晶界上碳化物已经有所聚集。

表1 试验材料的化学成分Tab.1 Test material chemical composition %

热影响区显微组织如图2所示，组织为铁素体＋回火贝氏体。热影响区处于中度老化阶段，其宽度平均为3 mm。焊缝显微组织如图3所示，组织为回火贝氏体。没有发现其他明显缺陷。

3 力学性能

3.1 常温力学性能

依据国标GB/T 228—2002[3]和GB/T 2651—1989[4]选取母材和焊接接头分别进行了拉伸试验，依据国标GB/T 229—1994[5]和 GB/T 2650—1989[6]选取母材和焊接接头分别进行了夏比冲击试验，表2给出了屈服强度 Rel、抗拉强度 Rm、延伸率 A11.3、断面收缩率 Z、冲击功Ak的测试结果。

依据国标GB/T 4340.1—1999[7]对管段进行了维氏试验，试验结果如图4所示。图4表明，焊缝的硬度高于热影响区，热影响区的硬度高于母材，由此也可以说明为什么接头试样断裂的部位不在焊缝热影响区，而是在硬度较低的母材上。

表2 运行12万h 12CrlMoV钢蒸汽管道常温力学性能Tab.2 12CrlMoV steel steam pipe ambient temperature mechanical performance after 120000-hour's operation

3.2 高温力学性能

根据GB/T 4338—1995[8]，在540℃对试样进行拉伸试验，所得高温力学性能数据如表3所示。

表3 运行12万h 12Cr1MoV钢蒸汽管道高温力学性能Tab.3 12CrlMoV steel steam pipe high temperature mechanical performance after 120000-hour's operation

根据GB/T150—1998《钢制压力容器》[9]，许用应力是钢材的各项强度数据分别除以相应的安全系数，取其中的最小值。12Cr1MoV钢540℃运行12万h安全系数 nb为 3，ns为 1.6。根据表 3，母材的许用应力[σ]t为78.5MPa，焊接接头的许用应力[σ]t为 63MPa。

4 应力分析

4.1 结构模型与计算条件

要获得安全阀动作时连接焊缝部位的应力状态，可以通过试验测试或者数值模拟的方法得到，由于安全阀动作时很难通过试验测得连接焊缝部位的应力，所以有限元数值分析方法是更简便、更可行的方法。

本课题研究过程中选用CAESARII管道应力分析软件对安全阀动作时连接焊缝部位的应力状态进行了模拟。

根据电厂所提供的设计图及现场勘察，利用CAESARII管道应力分析软件获得安全阀连接管道的结构如图5所示。热管与过热器集箱相连，在分析过程中热管的下端设为固定约束。

表4 安全阀动作时的计算条件Tab.4 Calculation condition of safety valve under action

4.2 应力分析结果

利用CAESARII管道应力分析软件计算的安全阀关闭的应力分析报告和安全阀动作时的应力分析报告见表5。

表5 应力分析报告Tab.5 Stress analysis report MPa

从安全阀关闭时的应力报告可以看出，在安全阀与热管的连接焊缝处产生的等效应力为8.02 MPa，其值远远低于焊缝运行12万h后在540℃下的许用应力[σ]t（母材78.5 MPa，焊接接头63 MPa）。安全阀动作时的应力报告给出了由于安全阀排放所产生的最大动态应力，其等效应力大小为48.01 MPa。由2个应力报告比较可以看出：当安全阀动作时将会在焊缝部位产生很大的应力，其值是安全阀关闭时的6倍。虽然这个应力还没有达到母材和焊接接头的许用应力，但是已经比较接近焊接接头的许用应力63 MPa。

5 失效综合分析

安全阀连接焊缝产生裂纹与其服役条件和材料特性紧密相关，通过以上的材料性能测试和应力分析可以找到失效的原因[10]。

（1）安全阀连接焊缝在经过12万h的高温和应力条件下的运行，成分基本符合国家标准，所以成分的变化对安全阀连接焊缝产生裂纹的贡献不大。

（2）珠光体的球化和碳化物的聚集是安全阀连接焊缝的常温和高温力学性能迅速下降的重要原因，它对安全阀连接焊缝产生裂纹的贡献很大。

（3）由于安全阀连接焊缝处于长时间的高温蒸汽和应力条件下工作，高温腐蚀可能使管壁减薄，珠光体的球化和碳化物的聚集会导致蠕变强度和持久强度降低；焊缝虽然经过热处理，但由于管道结构复杂，焊接残余应力不可能消除彻底。因此高温腐蚀、蠕变强度和持久强度的降低以及焊缝中存在的内应力缺陷也是安全阀连接焊缝产生裂纹的重要原因。

（4）安全阀动作时在焊缝部位产生6倍于正常状态下的应力，这个应力不仅其数值接近了许用应力，而且是一个瞬间的动态应力，所以安全阀动作时产生的应力对安全阀连接焊缝处产生裂纹的贡献很大。

综上所述，导致焊缝部位产生裂纹的主要原因可归结为温度和应力2种因素。由于安全阀连接焊缝在长期的高温和应力条件下运行，所以由温度引起的材料性能下降是不可避免的。针对这种情况，需要研究预防安全阀连接焊缝失效的可行方法就应该从减少安全阀动作时在焊缝处产生的应力入手。

6 防止安全阀连接焊缝失效的方法

从安全阀动作时的推力应力分析，可以看出在安全阀动作时时，会在图5中放空管的起始端弯头处产生一个很大推力，从而导致在焊缝处产生了6倍于正常应力的应力值。利用CAESARII管道应力分析软件，在弯头处施加1个Y方向约束，获得安全阀动作时在焊缝处的等效力值36.48 MPa，减少了24%。所以研制1套设备在弯头下方处当安全阀动作时起到沿Y方向约束的作用可以大大降低焊缝处的应力，从而可以达到预防安全阀连接焊缝失效的目的。研制的预防安全阀连接焊缝失效的装置必须实现以下2个目标：

（1）在安全阀动作时，装置相当于1个刚性约束，能够承受安全阀排汽引起的推力，保护所支撑的管道不会因承受偶然冲击载荷而损坏，同时降低安全阀连接焊缝处的应力。

（2）在管道处于正常工况下，它能适应管道由于热胀冷缩引起的缓慢移动，而对管道几乎没有支撑。即在管道缓慢移动时，装置也随着移动，装置对管道产生的作用力很小。

根据以上要求，研制一种速度反应灵敏的液压式阻尼器将会很好地预防安全阀连接焊缝失效[11]。

6.1 液压式阻尼器的工作原理

液压阻尼器在安全阀关闭时其活塞的移动行程与管道因热胀冷缩作用在阻尼器上的载荷F成正比，即F较小时，阻尼器的活塞能够自由移动。当安全阀动作时，阻尼器的活塞运动速度骤降为0，即F超过一定值时，阻尼器瞬间成为刚性支撑，活塞不能自由移动。其结构原理如图6所示[12]，当活塞向液压缸尾部移动时，活塞左侧的油液经阻尼控制阀流向储油箱，最后流回活塞的右侧；当活塞向液压缸头部移动时，活塞右侧的油液经阻尼控制阀流向储油箱，最后流回活塞的左侧。

在液压阻尼器的结构中，阻尼控制阀是关键。当油液如图6所示方向流动时，在流速V＜V闭（V闭为活塞运动速度骤降为0之前的最大运动速度）时，小弹簧能够支撑住阀芯，从而油液可以通过，活塞能够移动。当V＞V闭时，流动的油液会对阀芯产生很大的推力，从而阀芯克服小弹簧的支撑，使阻尼器闭锁，油液则不能通过，活塞停止移动。

6.2 液压阻尼器的设计

液压阻尼器的设计根据《机械设计手册》液压传动部分进行设计。根据手册可以确定液压缸类型、基本参数、缸筒材料、缸筒内壁厚度、密封材料、介质材料、活塞参数和密封形式，以及活塞杆参数、材料和结构形式[11]。

由于阻尼器在安全阀关闭时必须适应管道热胀冷缩而引起的往复运动，所以液压缸选用单杆活塞式双作用液压缸。

为了提高液压式阻尼器的可靠性，延长其寿命，活塞选用如图7所示的内阻式结构。内阻式液压阻尼器具有重心与受力线重合、导向性好、延长密封件和油缸寿命等优点。

7 结论

（1）以天津某电厂的与过热器集箱相连的安全阀连接焊缝为例，在对热管及焊缝取样进行性能和应力分析的基础之上分析了安全阀连接焊缝的失效机制，得出了安全阀连接焊缝失效的原因主要是长时间的高温、应力工作条件使材料性能下降和安全阀动作时的排汽反力过大2个原因。

（2）由于热管在工作过程中材料性能下降的不可避免性，所以选择了研制液压阻尼器来减少安全阀动作时的排汽反力，通过CAESARII管道应力分析软件进行了数值模拟分析了应用阻尼器时安全阀连接焊缝处的应力状态，证明了阻尼器用于防止安全阀连接焊缝失效的效果良好。

[1]GB/T 5310—1995高压锅炉用无缝钢管[S].北京：中国标准出版社，1995.

[2]GB/T 5118—1995低合金钢焊条[S].北京：中国标准出版社，1995.

[3]GB/T 228—2002金属材料室温拉伸试验方法[S].北京：中国标准出版社，2002.

[4]GB/T 2651—1989焊接接头拉伸试验方法[S].北京：中国标准出版社，1989.

[5]GB/T 229—1994金属夏比缺口冲击试验方法[S].北京：中国标准出版社，1994.

[6]GB/T 2650—1989焊接接头冲击试验方法[S].北京：中国标准出版社，1989.

[7]GB/T 4340.1—1999金属维氏硬度试验第1部分:试验方法[S].北京：中国标准出版社，1999.

[8]GB/T 4338—1995金属材料高温拉伸试验[S].北京：中国标准出版社，1995.

[9]GB/T 150—1998钢制压力容器[S].北京：中国标准出版社，1998.

[10]张光纯.大型电站锅炉事故分析及预防措施[M].北京：机械工业出版社，1990.

[11]刘银水,周勇.液压阻尼器动静态性能试验台的设计研究[J].振动、测试与诊断，2007（3）：204-207.

[12]王钧功.液压阻尼器的研究[J].液压气动与密封，1998（1）：15-21.