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        火電機(jī)組承壓部件失效典型應(yīng)力集中因素分析

        2018-11-08 03:21:52張立新
        山東電力技術(shù) 2018年10期
        關(guān)鍵詞:管座管孔熱器

        張立新

        (國(guó)電菏澤發(fā)電有限公司,山東 菏澤 274032)

        0 引言

        在火電機(jī)組中,有多個(gè)高溫高壓及高速轉(zhuǎn)動(dòng)的部件,這些部件上留有開孔、溝槽、缺口、臺(tái)階、尖角等,會(huì)引起應(yīng)力集中,從而削弱構(gòu)件的強(qiáng)度,降低構(gòu)件的承載能力。應(yīng)力集中是引起構(gòu)件失效的主要因素,大部分承壓部件的斷裂失效破壞事故是由應(yīng)力集中引起的。因此,為確?;痣姍C(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,必須科學(xué)地分析和處理構(gòu)件的應(yīng)力集中問題。

        1 應(yīng)力集中影響因素

        在工程力學(xué)中,等直桿軸向拉伸或壓縮時(shí),其橫截面上的應(yīng)力是均勻分布的。但是,工程實(shí)際中因結(jié)構(gòu)需要,往往在桿中開孔、切槽或?qū)U制成階梯形等,這就使得桿的局部區(qū)段的截面尺寸發(fā)生急劇變化[1]。由實(shí)驗(yàn)得知,在桿件尺寸突然改變的橫截面上,正應(yīng)力不再是均勻分布的,局部應(yīng)力急劇增大。如圖1所示,鉆有圓孔的板條,受軸向拉力F作用時(shí),在孔口邊緣附近的局部區(qū)域內(nèi),應(yīng)力急劇增大,邊緣處達(dá)到最大值σmax。

        圖1 鉆有圓孔的板條應(yīng)力分布示意

        應(yīng)力集中的程度常用理論應(yīng)力集中因數(shù)Ktσ表示,其定義為

        式中:σmax為發(fā)生應(yīng)力集中的截面上的最大應(yīng)力;σm為同一截面上的平均應(yīng)力;Ktσ是一個(gè)大于 1的系數(shù)。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:截面尺寸改變得越急劇、角越尖、孔越小,應(yīng)力集中的程度就越嚴(yán)重。因此,在桿件上應(yīng)盡可能避免尖角、槽和小孔,在階梯軸肩處應(yīng)采用圓弧過渡,且過渡圓弧半徑盡可能大[1]。

        構(gòu)件中產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因主要有:

        1)截面的急劇變化,如構(gòu)件中的管孔、鍵槽、缺口、臺(tái)階等。

        2)受集中力作用,如閥門中承受閥芯沖擊的閥座、支吊架支撐的管道等。

        3)材料本身的不連續(xù)性。焊接接頭中,即使努力消除各種結(jié)構(gòu)上的不均勻,因接頭材質(zhì)、組織與母材不同,應(yīng)力往往集中于熔合線附近。異種鋼焊接接頭,焊接缺陷,大型鑄件中的夾雜、氣孔、白點(diǎn)、疏松、裂紋等,都可導(dǎo)致材料的不連續(xù)。

        4)構(gòu)件在制造或裝配過程中,由于強(qiáng)拉伸、冷加工、熱處理、焊接等而引起殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力疊加工作應(yīng)力后,可能出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。

        2 火電機(jī)組承壓部件典型應(yīng)力集中實(shí)例分析

        2.1 焊縫

        因焊縫存在余高、內(nèi)凹及內(nèi)部缺陷,金相組織也與母材有較大差異,焊縫及焊接熱影響區(qū)往往成為整個(gè)部件中的應(yīng)力集中區(qū)域,如圖2所示。其中,焊接熱影響區(qū)中的熔合線是其最為薄弱的位置。焊接缺陷中,裂紋是最危險(xiǎn)的一類缺陷。其他焊接缺陷在部件運(yùn)行過程中也有產(chǎn)生裂紋的可能。而咬邊缺陷出現(xiàn)在熔合線[2](圖2中的熔合區(qū))上,加劇了應(yīng)力集中的程度,所以應(yīng)盡量避免;若有出現(xiàn),應(yīng)視情況平滑過渡或焊補(bǔ)。

        焊接接頭的質(zhì)量直接影響承壓部件的使用壽命和安全性。作為承壓部件中最為普遍的一類結(jié)構(gòu),焊縫應(yīng)是每次檢修檢測(cè)中需要關(guān)注的重點(diǎn)。

        圖2 不易淬火鋼焊縫及熱影響區(qū)

        除焊縫內(nèi)部缺陷外,焊縫布置方式不當(dāng)引起的缺陷比較容易被忽視。大口徑焊縫的錯(cuò)口,小口徑焊縫的角變形,同一管道上相鄰兩焊縫距離過近,焊縫距管道彎曲起點(diǎn)、支吊架過近、壓力容器上支管焊縫距管孔過近等,這些缺陷極易造成應(yīng)力集中,都應(yīng)在設(shè)計(jì)之初予以重視,施工時(shí)積極改正,監(jiān)督時(shí)重點(diǎn)關(guān)注。

        2.2 管座(管孔)

        管座一般是焊接在承壓部件的管孔外部,用來連接承壓部件的引出管的,根據(jù)用途可以分為聯(lián)箱或容器的進(jìn)出管排管座、管道的疏水管座、各類測(cè)量管座、向空排汽管座、放空氣管座、安全閥管座等。

        2.2.1 聯(lián)箱管排管座

        這一類管座其材質(zhì)規(guī)格一般與管排相同,主要應(yīng)力集中點(diǎn)在管座焊接接頭、管座角焊縫及聯(lián)箱筒體管孔之間。以下所有實(shí)例中,部件均經(jīng)過光譜驗(yàn)證材質(zhì)無誤;硬度正常,壁厚無明顯減薄,金相組織正常無明顯老化。

        實(shí)例1:圖3所示為再熱器入口聯(lián)箱,管座為管排管座,管座角焊縫上熔合線處開裂,蒸汽泄漏后沖刷聯(lián)箱筒體,造成表面沖刷凹坑兩處,深約10 mm。

        實(shí)例2:圖4所示為再熱器入口聯(lián)箱筒體部分開裂。裂紋位于聯(lián)箱管排管孔之間。經(jīng)超聲波探傷,開裂位置下部?jī)晒芸字g筒體內(nèi)壁也有強(qiáng)烈反射。

        圖3 再熱器入口聯(lián)箱管座泄漏

        圖4 再熱器入口聯(lián)箱筒體部分開裂

        2.2.2 管道的疏水管座、各類測(cè)量管座和放空氣管座

        此類管座材質(zhì)規(guī)格可能與引出管不同,焊接接頭可能為異種鋼接頭。因規(guī)格不一致,往往用大小頭來連接管座與引出管。所以此類焊接接頭易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

        對(duì)于此類接頭,應(yīng)盡力避免大小頭過渡突兀,焊接應(yīng)力或管系應(yīng)力過大以及角變形。應(yīng)合理設(shè)計(jì)管系走向,避免管道膨脹受阻;加強(qiáng)焊接管理和檢驗(yàn),消除焊接缺陷,減少焊接應(yīng)力。

        實(shí)例3:圖5所示為主蒸汽管道水平段疏水管座,管道材質(zhì)為P91鋼,管座材質(zhì)F91鋼,疏水管材質(zhì)12 Cr1MoV鋼。在某次機(jī)組啟動(dòng)過程中,圖示箭頭位置突然開裂,經(jīng)宏觀檢查,該焊縫存在明顯的角變形,開裂位置位于焊縫的下熔合線。

        實(shí)例4:圖6所示為氫氣干燥器疏水短節(jié),箭頭所示為開裂焊縫的熔合線。該短節(jié)長(zhǎng)度過短,管道無膨脹余量。

        圖5 主蒸汽管道水平段疏水管座

        圖6 氫氣干燥器疏水短節(jié)

        2.2.3 聯(lián)箱向空排汽管座

        機(jī)組在緊急停機(jī)時(shí)會(huì)使用向空排汽管道排出鍋爐中多余的蒸汽。向空排汽管路一般設(shè)置在高溫過熱器出口聯(lián)箱和高溫再熱器出口聯(lián)箱,排汽由電動(dòng)閥門控制,蒸汽排向爐頂外大氣。管系過長(zhǎng)或設(shè)計(jì)不合理,會(huì)造成管座、對(duì)接焊縫甚至聯(lián)箱的損壞。

        圖7是再熱器向空排汽管座大小頭上焊縫東側(cè)內(nèi)部存在水平裂紋A,裂紋不連續(xù),位于焊縫和熱影響區(qū);裂紋B位于熔合線下部,大小頭上部?jī)?nèi)側(cè),縱向發(fā)展,焊縫內(nèi)部表面存在龜裂現(xiàn)象。圖8是向空排汽管道的實(shí)際大致走向。圖外未顯示的管道還有十余米,且非直管段。這種管系的設(shè)計(jì),導(dǎo)致機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)蒸汽在過長(zhǎng)的管道末端凝結(jié),凝結(jié)水順管道走勢(shì)下行,在管座對(duì)接焊縫位置產(chǎn)生了冷熱交變應(yīng)力,形成疲勞裂紋B。鍋爐排汽時(shí),因管道膨脹拉伸,對(duì)接焊縫處的疲勞裂紋沿焊縫連接擴(kuò)展形成了水平(近似)裂紋A。

        2.3 彎頭

        彎頭的壁厚一般大于與其連接的管道壁厚,在進(jìn)行焊接之前,往往對(duì)彎頭或管道的內(nèi)外壁進(jìn)行修磨,以減少壁厚的突變,利于對(duì)口。但由于加工工藝及加工質(zhì)量、管道走向、彎頭型式限制,經(jīng)常發(fā)生彎頭附近存在應(yīng)力集中導(dǎo)致部件失效的情況。

        圖7 再熱器向空排汽管座裂紋

        圖8 再熱器向空排汽管座管系

        2.3.1 直插式方彎頭

        此類彎頭一般用于小徑管,壁厚較彎管為厚,耐沖刷。但另一面,因外部結(jié)構(gòu)為方形且壁厚較大,故剛性也大,不利于管道膨脹。某公司汽機(jī)本體疏水改造時(shí)曾把原來的彎管全部更換為方彎頭,但管路未改動(dòng),結(jié)果機(jī)組運(yùn)行時(shí)較短管路的彎頭焊縫頻頻開裂導(dǎo)致泄漏。經(jīng)過分析,決定延長(zhǎng)這些疏水管道,改造后此故障消失。

        2.3.2 大口徑彎頭(不帶直管段)

        大口徑管道對(duì)接難度較大,一般都需要經(jīng)過內(nèi)外壁修磨。即使修磨,也難以避免錯(cuò)口的出現(xiàn)。對(duì)于彎頭與直管的對(duì)接更是如此。錯(cuò)口及內(nèi)壁修磨的溝槽、臺(tái)階內(nèi)是應(yīng)力集中區(qū)。

        圖9所示為壁式再熱器至中溫再熱器連接管彎頭與直管段對(duì)接焊縫。直管厚度20 mm,彎頭厚度32 mm。彎頭內(nèi)外壁均有修磨,其中外壁有臺(tái)階,內(nèi)壁有臺(tái)階和溝槽。該焊縫上部熔合線以上6 mm處開裂導(dǎo)致泄漏,對(duì)彎頭進(jìn)行超聲波探傷,發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有強(qiáng)烈反射;挖補(bǔ)裂紋時(shí)經(jīng)目視驗(yàn)證,彎頭內(nèi)壁有較深的溝槽,該裂紋是從溝槽處產(chǎn)生并擴(kuò)展的。

        圖9 壁再至中再連接管彎頭

        2.4 承受交變應(yīng)力的閥座及減溫器

        在承受交變應(yīng)力的閥座結(jié)合面,為了固定結(jié)合面,有時(shí)進(jìn)行堆焊,堆焊焊縫為應(yīng)力集中區(qū);運(yùn)行中閥座結(jié)合面頻繁承受交變沖擊,兩種應(yīng)力具有疊加效應(yīng),此處焊縫往往成為裂紋源。

        對(duì)于噴水減溫器而言,噴頭結(jié)構(gòu)形式、安裝質(zhì)量、運(yùn)行方式均對(duì)減溫器筒體承受的交變應(yīng)力有影響。在交變應(yīng)力作用下,筒體內(nèi)壁容易產(chǎn)生裂紋,裂紋形式一般為龜裂,裂紋從筒體內(nèi)壁開裂,起初比較細(xì)小,隨運(yùn)行時(shí)間慢慢增長(zhǎng),最終因管系軸向應(yīng)力影響連接成與應(yīng)力方向垂直的外部開口裂紋,造成減溫器甚至后面的聯(lián)箱開裂。圖10所示為高溫再熱器入口聯(lián)箱,開裂位置位于減溫器彎頭后,該裂紋處聯(lián)箱內(nèi)壁已產(chǎn)生龜裂。

        圖10 高溫再熱器入口聯(lián)箱

        2.5 高溫緊固件

        雙頭等腰螺栓光桿部分直徑與螺紋相等,無過渡圓角,應(yīng)力集中嚴(yán)重,故只能用于非高溫高壓的場(chǎng)合。電廠高溫緊固件大多常采用細(xì)腰柔性螺栓[3]。螺栓在使用中會(huì)承受以下應(yīng)力,這些應(yīng)力都可能造成螺栓提前失效。

        1)初緊應(yīng)力。應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求的扭矩,使用扭矩扳手控制初緊應(yīng)力。

        2)法蘭結(jié)合面的拉力。正常運(yùn)行時(shí),高溫高壓的蒸汽壓力作用于結(jié)合面上,對(duì)螺栓產(chǎn)生拉力。

        3)加熱孔熱應(yīng)力和拆卸時(shí)不當(dāng)?shù)募訜?。若安裝時(shí)操作不當(dāng)或加熱設(shè)備故障,螺栓加熱孔會(huì)承受過大的熱應(yīng)力;當(dāng)螺栓拆卸困難時(shí),會(huì)采用火焰加熱炙烤,若沒有有效的溫度控制措施,很容易改變螺栓螺母金相組織,導(dǎo)致部件失效。

        4)暴力拆卸。當(dāng)螺栓拆卸困難時(shí)還會(huì)采用錘擊的方法。這種方法難以控制扭矩,往往造成螺栓不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

        由于以上應(yīng)力的影響,螺栓裂紋可能發(fā)生在:栽絲端第一二絲扣處;螺栓腰部;加熱孔內(nèi)部;退刀槽等截面突變處。對(duì)高溫緊固件的運(yùn)行監(jiān)督,主要是強(qiáng)度硬度的測(cè)試和裂紋檢查,對(duì)裂紋進(jìn)行排查時(shí),必須嚴(yán)密謹(jǐn)慎,不放過任何可疑信號(hào)。

        2.6 鰭片管

        從幾何角度看,鰭片式受熱面管屬于平面與曲面相交的部件。若處理得當(dāng),兩面相交的位置并不一定成為應(yīng)力集中的地方。但由于制作工藝和設(shè)計(jì)原因,在點(diǎn)焊位置、膨脹受阻位置、鰭片終點(diǎn)都有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中,造成受熱面管拉裂。此類部件主要有:鰭片式水冷壁、包墻(包覆)過熱器、隔墻省煤器、旁路省煤器等。以上部件均對(duì)應(yīng)力集中部位加大防磨防爆檢查的力度。

        2.7 大型鑄件

        電廠主汽門、高調(diào)門、中壓主汽門、汽缸都屬于大型鑄件,大型鑄件的應(yīng)力釋放是個(gè)緩慢的過程,這個(gè)過程不僅包含制造階段,還涵蓋部件服役的整個(gè)過程。應(yīng)力釋放的過程,往往伴隨著裂紋的產(chǎn)生。鑄件的殼體、缸體外表面的夾角、凸起都屬于應(yīng)力集中的部位。利用每次大修的機(jī)會(huì)對(duì)這些部位進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)以消除隱患很有必要。

        2.8 汽機(jī)轉(zhuǎn)子圍帶

        汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子頂端圍帶的作用是約束葉片的振動(dòng),一般為類似于開孔的扁鋼帶,用鉚釘固定在葉片頂端。圍帶在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)中承受離心力、鉚釘?shù)膲毫?、葉片的膨脹拉力、汽流的沖擊等,受力情況復(fù)雜,若設(shè)計(jì)、制造不當(dāng),很容易出現(xiàn)鉚釘孔之間開裂、鉚釘孔邊緣開裂,在巨大的離心力的拉扯下,圍帶會(huì)開裂脫落,所在的葉片甚至整個(gè)轉(zhuǎn)子、隔板也會(huì)受損。圖11所示為汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子電機(jī)側(cè)第三級(jí),葉片斷裂了50%(寬度方向),對(duì)應(yīng)所在的圍帶上有明顯裂紋,如圖12。

        圖11 低壓轉(zhuǎn)子電機(jī)側(cè)第三級(jí)葉片開裂

        圖12 低壓轉(zhuǎn)子電機(jī)側(cè)第三級(jí)圍帶開裂

        3 避免部件應(yīng)力集中應(yīng)采取的措施

        根據(jù)零件的受力情況選擇適當(dāng)?shù)拈_孔部位。孔一般應(yīng)開在低應(yīng)力區(qū),如必須開在高應(yīng)力區(qū),則應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)措施[4]。開孔的位置應(yīng)盡量避開高應(yīng)力區(qū),并避免因管孔間相互影響而造成應(yīng)力集中系數(shù)增高。

        改善構(gòu)件外形,盡量減少截面的突然變化,如尖角、棱角,改為過渡圓角,適當(dāng)增大過渡圓弧的半徑。

        高溫緊固件選取缺口敏感度低的材料,采用細(xì)腰柔性結(jié)構(gòu)。

        承壓部件的設(shè)計(jì)安裝應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,合理分配應(yīng)力;支吊架設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng),避免應(yīng)力集中;機(jī)組運(yùn)行檢修中,管道、聯(lián)箱、受熱面等的支吊架應(yīng)進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整。

        加強(qiáng)焊接管理,嚴(yán)格執(zhí)行焊接驗(yàn)收程序,盡力避免和消除焊接殘余應(yīng)力、焊接缺陷。

        防磨防爆檢查應(yīng)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行實(shí)際梳理各類應(yīng)力集中點(diǎn)及隱患,列出詳細(xì)的檢查計(jì)劃并嚴(yán)格執(zhí)行。

        大型鑄件的應(yīng)力釋放有一個(gè)緩慢的過程,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高溫高壓閥門、汽缸的應(yīng)力集中部位的定期監(jiān)督檢驗(yàn)。

        承壓部件的應(yīng)力集中現(xiàn)象普遍存在,此類部件的安全監(jiān)督工作任重道遠(yuǎn),應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行、檢修人員的技術(shù)培訓(xùn),提高監(jiān)督質(zhì)量和運(yùn)行水平。

        4 結(jié)語

        通過對(duì)電廠承壓部件典型失效實(shí)例的研究,可見應(yīng)力集中在部件斷裂失效中起了關(guān)鍵作用。這些引起應(yīng)力集中的因素一般為構(gòu)件截面的急劇變化、部件承受的集中外力作用、材料本身的不連續(xù)性、殘余應(yīng)力疊加上工作應(yīng)力。不同的實(shí)例,應(yīng)力集中因素不盡相同。有時(shí)不是單一因素起作用,而是多個(gè)因素綜合作用。所以,進(jìn)行事故分析必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行,匯總整理各方信息。應(yīng)力集中不一定引起承壓部件事故,但承壓部件斷裂事故中一般有應(yīng)力集中因素的存在。斷裂分析中找到應(yīng)力集中點(diǎn),從該點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行應(yīng)力分析和斷裂力學(xué)分析[5],可以幫助查找事故原因。監(jiān)督檢驗(yàn)是預(yù)防事故的重要手段,而應(yīng)力分析不僅是監(jiān)督檢驗(yàn)的理論依據(jù),也可指導(dǎo)承壓部件的設(shè)計(jì)制造、運(yùn)行維護(hù)。

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