发电厂主蒸汽管道开裂分析

罗宏建，周重回，郑宏晔，赵州峰

(浙江省电力试验研究院，浙江杭州 310014)

0 引言

随着火力发电机组容量的增大，四大管道的设计参数不断提高，管径及壁厚也随之加大，高温蒸汽管道的安全运行问题也越来越突出，而保证管系的应力水平在规范的许用应力范围内是设备安全可靠运行的前提条件。根据DL/T 5366—2006《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》的规定，管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力应在设备所能安全承受的范围内。管道的规格、管系中刚性件的重量、保温的重量、管系的约束条件及管道支吊系统等都是决定管系应力水平的关键因素。当这些因素发生变化时，应根据实际数据重新进行应力分析，检查管道系统的安全性［1］。

1 主蒸汽管道焊口泄漏

某发电公司1#锅炉系上海锅炉厂生产的亚临界强制循环汽包炉，配套的发电机组容量为300 MW，主蒸汽管道材质为SA335P22，规格为Ø534.5 mm ×83.1 mm。

为了便于汽机热态时进行锅炉水压试验，1996年10月，在23米层主蒸汽管道水平段10#恒吊与11#恒吊间安装了水压试验隔离阀。2011年6月，在锅炉23米层主蒸汽管道水压试验隔离阀旁，发现蒸汽喷出的巨大异响，紧急停炉后发现主蒸汽管道与水压试验隔离阀焊口(靠近锅炉侧)发生开裂(见图1，2)。

2 裂纹形貌分析

裂纹产生于锅炉侧大小头焊缝的热影响区，裂纹距离熔合线2～4 mm，与熔合线平行，焊口外壁开裂940 mm，长度超过半圈(从3点钟位置至9点钟位置，正下方为6点钟位置)，最大开裂部分在正下方，裂纹开口3 mm左右，焊口内壁开裂300 mm，长度不到1/3圈。说明起裂点位于正下方，裂纹从外壁往内壁扩展。

从断口处形貌图可知(如图3所示)，主裂纹周围分布着密集的蠕变空洞及由蠕变空洞串联而成的微裂纹。可见断口形貌具有典型应力开裂的特征。

3 管系应力分析

图3 断口形貌及周围蠕变空洞和微裂纹

在汽水管道应力分析中，一般将应力划分为一次应力和二次应力［2］。一次应力是由于压力、重力及其他外力作用所产生的应力。它是平衡外力荷载所需的应力，随外力荷载的增加而增加。一次应力的特点是没有自限性，即当管道内的塑性区扩展达到极限状态，使之变成几何可变的机构时，即使外力荷载不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动［3］，直至破坏。可见一次应力对管道安全性危害最大。

一次应力计算公式如下［2］:

式中 i——应力增加系数

MA——持续载荷作用在管道横截面上的合成力矩

W——管道抗弯矩

p——介质压力

Di——管道内径

Do——管道外径

二次应力是由于管道变形受到约束而产生的应力，它由管道热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用而引起。二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形的连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。二次应力是管道疲劳破坏的主要原因。

二次应力计算公式如下［2］:

式中 Mc——热胀引起的合成力矩

文中分别在安装隔离阀前及安装隔离阀后的状况下，对管系进行了应力校核。计算参数如表1所示。

表1 计算参数

3.1 水压试验隔离阀安装前应力计算结果及分析

未安装水压试验隔离阀前，在10#恒吊与11#恒吊之间是一段完整的主蒸汽管道，建立模型如图4所示，给定这段管道节点号为220～250。

图4 未装阀门前建模

由计算结果可知，当前状况下主蒸汽管道最大一次应力为30.7 MPa，最大应力点位于汽机侧的15#恒吊处(如图4所示);管道最大二次应力为78 MPa，，位于16#恒吊处。未装阀门前，对于10#，11#恒吊间管道，一次应力约为27 MPa，对应此处的弯曲应力为11 MPa左右。可见水压试验隔离阀未安装前，管道的一、二次应力均未超标，而且最大应力点均不在10#恒吊与11#恒吊之间。

3.2 水压试验隔离阀安装后应力计算结果及分析

安装水压试验隔离阀后，管道的最大二次应力为78 MPa，最大二次应力点仍位于汽机侧的16#恒吊处。可见安装水压试验隔离阀后，管系的二次应力变化不大，计算结果仍为合格。

安装水压试验隔离阀后，管系的一次最大应力急剧增大至58 MPa，超过标准许可(在541℃时，SA335P22的一次应力许用值为53 MPa)，最大应力点位于10#恒吊与11#恒吊间管道与阀门的对接焊缝上，计算结果如图5所示。

图5 安装阀门后计算结果

该区域一次应力增大的原因是:阀门安装后，阀门重量的增加使式(1)中的合成力矩MA增大(从图5可知，弯曲应力从安装阀门前的11 MPa上升至56 MPa)。这与焊缝正下方(6点钟位置)承受急剧变大拉应力的实际情况相吻合。

4 爆泄的原因分析及处理方案

经过以上的断口分析及管道应力分析可知:安装水压试验隔离阀后，管系在10#恒吊与11#恒吊间一次应力超标，导致阀门与管道对接焊缝承受急剧增大的弯曲应力。因为许用应力有1.5倍的安全系数，即使一次应力达到或略超其允许值，管道在中短期运行时间内发生开裂的概率较低，所以管道可以从1996年运行至2011年6月(累计11.9 万 h)。

但是该区域的一次应力59 MPa，已经很接近540 ℃下 P22 的持久强度 σ105(69 MPa［4］)，而且该焊缝是结构突变严重的大小头，于是在最为薄弱的焊缝热影响区产生了蠕变空洞，蠕变空洞串联形成微裂纹，在急剧增大的拉应力作用下，管道焊缝正下方开裂，裂纹由外至内扩展，最终导致泄漏。

处理方案确定为拆掉阀门，重新在10#恒吊与11#恒吊间安装管道。

本方案的优点:

(1)通过调整方案的实施，可以大幅度地降低管系的一次应力，确保应力水平满足规范的要求;

(2)本方案容易实施，安装方便;

(3)可以避免已经产生蠕变空洞的管道继续服役。

5 结论

从管系的应力分析及断口的形貌分析可知，安装水压试验隔离阀后，阀门的重量使管道所承受的弯矩增加，导致该区域一次应力增大并超过标准许可，从而使焊接接头应力集中部位提前发生蠕变断裂。

6 建议

对高温高压管道进行改造，需重新根据实际数据对管系进行应力分析，确保管系的应力水平满足相关规范要求，当管系应力不合格或者变化比较大时，应当对管系进行适当的调整。

［1］DL/T 616—2006，火力发电厂汽水管道与支吊架维修调整导则［S］.

［2］DL/T 5366—2006，火力发电厂汽水管道应力计算技术规程［S］.

［3］周文.主蒸汽管道裂纹产生原因分析及处理对策［J］.压力容器，2010，27(8):47 －50.

［4］火力发电厂金属材料手册［M］.北京:中国电力出版社，2000:149