羅宏建，周重回，鄭宏曄，趙州峰

(浙江省電力試驗研究院，浙江杭州 310014)

0 引言

隨著火力發(fā)電機組容量的增大，四大管道的設(shè)計參數(shù)不斷提高，管徑及壁厚也隨之加大，高溫蒸汽管道的安全運行問題也越來越突出，而保證管系的應(yīng)力水平在規(guī)范的許用應(yīng)力范圍內(nèi)是設(shè)備安全可靠運行的前提條件。根據(jù)DL/T 5366—2006《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，管道在內(nèi)壓、自重和其他外載作用下所產(chǎn)生的一次應(yīng)力和在熱脹、冷縮及位移受約束時所產(chǎn)生的二次應(yīng)力應(yīng)在設(shè)備所能安全承受的范圍內(nèi)。管道的規(guī)格、管系中剛性件的重量、保溫的重量、管系的約束條件及管道支吊系統(tǒng)等都是決定管系應(yīng)力水平的關(guān)鍵因素。當(dāng)這些因素發(fā)生變化時，應(yīng)根據(jù)實際數(shù)據(jù)重新進行應(yīng)力分析，檢查管道系統(tǒng)的安全性［1］。

1 主蒸汽管道焊口泄漏

某發(fā)電公司1#鍋爐系上海鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界強制循環(huán)汽包爐，配套的發(fā)電機組容量為300 MW，主蒸汽管道材質(zhì)為SA335P22，規(guī)格為?534.5 mm ×83.1 mm。

為了便于汽機熱態(tài)時進行鍋爐水壓試驗，1996年10月，在23米層主蒸汽管道水平段10#恒吊與11#恒吊間安裝了水壓試驗隔離閥。2011年6月，在鍋爐23米層主蒸汽管道水壓試驗隔離閥旁，發(fā)現(xiàn)蒸汽噴出的巨大異響，緊急停爐后發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道與水壓試驗隔離閥焊口(靠近鍋爐側(cè))發(fā)生開裂(見圖1，2)。

2 裂紋形貌分析

裂紋產(chǎn)生于鍋爐側(cè)大小頭焊縫的熱影響區(qū)，裂紋距離熔合線2～4 mm，與熔合線平行，焊口外壁開裂940 mm，長度超過半圈(從3點鐘位置至9點鐘位置，正下方為6點鐘位置)，最大開裂部分在正下方，裂紋開口3 mm左右，焊口內(nèi)壁開裂300 mm，長度不到1/3圈。說明起裂點位于正下方，裂紋從外壁往內(nèi)壁擴展。

從斷口處形貌圖可知(如圖3所示)，主裂紋周圍分布著密集的蠕變空洞及由蠕變空洞串聯(lián)而成的微裂紋。可見斷口形貌具有典型應(yīng)力開裂的特征。

3 管系應(yīng)力分析

圖3 斷口形貌及周圍蠕變空洞和微裂紋

在汽水管道應(yīng)力分析中，一般將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力［2］。一次應(yīng)力是由于壓力、重力及其他外力作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。它是平衡外力荷載所需的應(yīng)力，隨外力荷載的增加而增加。一次應(yīng)力的特點是沒有自限性，即當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)擴展達(dá)到極限狀態(tài)，使之變成幾何可變的機構(gòu)時，即使外力荷載不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動［3］，直至破壞?？梢娨淮螒?yīng)力對管道安全性危害最大。

一次應(yīng)力計算公式如下［2］:

式中 i——應(yīng)力增加系數(shù)

MA——持續(xù)載荷作用在管道橫截面上的合成力矩

W——管道抗彎矩

p——介質(zhì)壓力

Di——管道內(nèi)徑

Do——管道外徑

二次應(yīng)力是由于管道變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，它由管道熱脹、冷縮、端點位移等位移荷載的作用而引起。二次應(yīng)力的特點是具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身變形的連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。二次應(yīng)力是管道疲勞破壞的主要原因。

二次應(yīng)力計算公式如下［2］:

式中 Mc——熱脹引起的合成力矩

文中分別在安裝隔離閥前及安裝隔離閥后的狀況下，對管系進行了應(yīng)力校核。計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

3.1 水壓試驗隔離閥安裝前應(yīng)力計算結(jié)果及分析

未安裝水壓試驗隔離閥前，在10#恒吊與11#恒吊之間是一段完整的主蒸汽管道，建立模型如圖4所示，給定這段管道節(jié)點號為220～250。

圖4 未裝閥門前建模

由計算結(jié)果可知，當(dāng)前狀況下主蒸汽管道最大一次應(yīng)力為30.7 MPa，最大應(yīng)力點位于汽機側(cè)的15#恒吊處(如圖4所示);管道最大二次應(yīng)力為78 MPa，，位于16#恒吊處。未裝閥門前，對于10#，11#恒吊間管道，一次應(yīng)力約為27 MPa，對應(yīng)此處的彎曲應(yīng)力為11 MPa左右。可見水壓試驗隔離閥未安裝前，管道的一、二次應(yīng)力均未超標(biāo)，而且最大應(yīng)力點均不在10#恒吊與11#恒吊之間。

3.2 水壓試驗隔離閥安裝后應(yīng)力計算結(jié)果及分析

安裝水壓試驗隔離閥后，管道的最大二次應(yīng)力為78 MPa，最大二次應(yīng)力點仍位于汽機側(cè)的16#恒吊處。可見安裝水壓試驗隔離閥后，管系的二次應(yīng)力變化不大，計算結(jié)果仍為合格。

安裝水壓試驗隔離閥后，管系的一次最大應(yīng)力急劇增大至58 MPa，超過標(biāo)準(zhǔn)許可(在541℃時，SA335P22的一次應(yīng)力許用值為53 MPa)，最大應(yīng)力點位于10#恒吊與11#恒吊間管道與閥門的對接焊縫上，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 安裝閥門后計算結(jié)果

該區(qū)域一次應(yīng)力增大的原因是:閥門安裝后，閥門重量的增加使式(1)中的合成力矩MA增大(從圖5可知，彎曲應(yīng)力從安裝閥門前的11 MPa上升至56 MPa)。這與焊縫正下方(6點鐘位置)承受急劇變大拉應(yīng)力的實際情況相吻合。

4 爆泄的原因分析及處理方案

經(jīng)過以上的斷口分析及管道應(yīng)力分析可知:安裝水壓試驗隔離閥后，管系在10#恒吊與11#恒吊間一次應(yīng)力超標(biāo)，導(dǎo)致閥門與管道對接焊縫承受急劇增大的彎曲應(yīng)力。因為許用應(yīng)力有1.5倍的安全系數(shù)，即使一次應(yīng)力達(dá)到或略超其允許值，管道在中短期運行時間內(nèi)發(fā)生開裂的概率較低，所以管道可以從1996年運行至2011年6月(累計11.9 萬 h)。

但是該區(qū)域的一次應(yīng)力59 MPa，已經(jīng)很接近540 ℃下 P22 的持久強度 σ105(69 MPa［4］)，而且該焊縫是結(jié)構(gòu)突變嚴(yán)重的大小頭，于是在最為薄弱的焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生了蠕變空洞，蠕變空洞串聯(lián)形成微裂紋，在急劇增大的拉應(yīng)力作用下，管道焊縫正下方開裂，裂紋由外至內(nèi)擴展，最終導(dǎo)致泄漏。

處理方案確定為拆掉閥門，重新在10#恒吊與11#恒吊間安裝管道。

本方案的優(yōu)點:

(1)通過調(diào)整方案的實施，可以大幅度地降低管系的一次應(yīng)力，確保應(yīng)力水平滿足規(guī)范的要求;

(2)本方案容易實施，安裝方便;

(3)可以避免已經(jīng)產(chǎn)生蠕變空洞的管道繼續(xù)服役。

5 結(jié)論

從管系的應(yīng)力分析及斷口的形貌分析可知，安裝水壓試驗隔離閥后，閥門的重量使管道所承受的彎矩增加，導(dǎo)致該區(qū)域一次應(yīng)力增大并超過標(biāo)準(zhǔn)許可，從而使焊接接頭應(yīng)力集中部位提前發(fā)生蠕變斷裂。

6 建議

對高溫高壓管道進行改造，需重新根據(jù)實際數(shù)據(jù)對管系進行應(yīng)力分析，確保管系的應(yīng)力水平滿足相關(guān)規(guī)范要求，當(dāng)管系應(yīng)力不合格或者變化比較大時，應(yīng)當(dāng)對管系進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

［1］DL/T 616—2006，火力發(fā)電廠汽水管道與支吊架維修調(diào)整導(dǎo)則［S］.

［2］DL/T 5366—2006，火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］周文.主蒸汽管道裂紋產(chǎn)生原因分析及處理對策［J］.壓力容器，2010，27(8):47 －50.

［4］火力發(fā)電廠金屬材料手冊［M］.北京:中國電力出版社，2000:149