關(guān)鍵詞：堵閥；應(yīng)力不均；流動性熱裂紋；補焊

中圖分類號：TK227 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）08-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.08.016

Abstract： [Purposes] This paper aims to analyze the problem of surface crack defects that often occur in the casting of blocking valves for power plant boilers，and provide theoretical basis for preventive measures and life evaluation of blocking valve surface cracks.[Methods] Taking the high-temperature cast steel valve body of the reheating section of a power plant boiler as an example，non-destructive testing， metallgraphic testing，hardness testing，chemical composition analysis and other tests were conducted. At the same time，ANSYS software was used to simulate and analyze the characteristics of the surface crack location， morphology expansion direction， metalographic structure，etc.[Findings] The results indicate that the crack is a fluid thermal crack under uneven stress dynamics.[Conclusions] In order to prevent surface cracks in valve blockages，it is necessary to optimize casting processes，avoid stress concentration，and strictly control welding heat treatment processes.

Keywords： valve blockage; uneven stress; fluidity hot crack; repair welding

0 引言

電站鍋爐主要承壓部件的失效方式包括疲勞、腐蝕、氧化、蠕變和斷裂等[1]。其中斷裂是影響材料瞬時壽命的主要因素。斷裂力學(xué)從材料或構(gòu)件中存在宏觀裂紋角度出發(fā)，應(yīng)用彈性力學(xué)和塑性力學(xué)理論，研究材料裂紋產(chǎn)生、擴展、失穩(wěn)開裂。裂紋是產(chǎn)生斷裂的先決條件，當(dāng)材料受外界作用力時，裂紋尖端會出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成應(yīng)力場，其強弱程度可以用應(yīng)力強度因子 K 確定。當(dāng)外界拉應(yīng)力增大或裂紋擴展時，裂紋尖端應(yīng)力強度因子 K 也隨之增大， K 增大到一定值 時材料失穩(wěn)斷裂。這是斷裂力學(xué)的基本理論。

某電站鍋爐型號為SG-1080/17.4-M888燃煤發(fā)電亞臨界鍋爐，額定工作壓力為 1 7 . 4 M P a ，額定蒸發(fā)量為 2022年4月，在該電站鍋爐定期檢驗的過程中，經(jīng)表面無損檢測發(fā)現(xiàn)再熱熱段管道的堵閥閥體表面有大量明顯裂紋。為防止該裂紋擴展引發(fā)鍋爐安全事故，需對裂紋性質(zhì)及形成原因進行分析，并提出防止裂紋擴展及壽命預(yù)測的措施。該鍋爐目前運行已超過10萬h，堵閥材質(zhì)為A339P22（WC9）鋼，額定工作壓力為 1 7 . 4 M P a ，額定工作溫度為 。本研究以該電廠鍋爐堵閥為對象，通過對該試樣進行宏觀檢查、無損檢測分析、拉伸試驗、硬度試驗等力學(xué)性能試驗，采用有限元分析ANSYS對該部位進行有限元仿真進行綜合分析2，結(jié)合現(xiàn)場實際情況分析該裂紋產(chǎn)生的原因，并提出了相關(guān)的預(yù)防措施，以期為該部件壽命評估和預(yù)測提供參考。

1試驗

1.1無損檢測分析

對電站鍋爐堵閥的檢測最佳方案是磁粉檢測加超聲檢測復(fù)查[3]。本研究通過對該電廠再熱熱段管道堵閥進行表面磁粉檢測（以下簡稱MT），按照《承壓設(shè)備無損檢測》（NB/T47013—2015）的標(biāo)準(zhǔn)要求，將閥體外表面打磨露出金屬光澤，采用黑磁膏、磁軛法進行MT檢測，發(fā)現(xiàn)該閥體表面存在多處裂紋（如圖1至圖3所示）。裂紋主要分布在位于閥體表面左半部和右半部，裂紋形態(tài)多樣無規(guī)則。MT檢測發(fā)現(xiàn)閥體右側(cè)1處裂紋，最大長度為 7 0 m m ，左側(cè)1處裂紋，最大長度為 6 7 m m 。

1.2金相分析

對閥體表面裂紋處進行金相分析，試驗處表面打磨拋光露出金屬光澤，用 3 % 的硝酸酒精溶液腐蝕后，在200倍顯微鏡，觀察金相組織，結(jié)果如圖4所示。圖譜分析表明：裂紋處清晰可見，該裂紋末端具有單道微裂紋特性，尖端尖細，邊緣平直。擴展區(qū)裂紋單道發(fā)展，屬于沿晶界擴展。

1.3 拉伸試驗

沿閥體直管段取樣，制成標(biāo)距直徑 5 m m ，長度2 5 m m 的標(biāo)準(zhǔn)拉伸持久試樣，在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。表中同時列出了標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐，過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》（ASMESA-213M-2017）對A339P22的拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)。由表1可知，該試樣拉伸性能各項試驗數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.4 硬度試驗

由外側(cè)向內(nèi)側(cè)分別對閥體的直管段、閥體左側(cè)、閥體中部、閥體右側(cè)表面處理進行硬度檢測，得到布氏硬度數(shù)值見表2。按照《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》（DL/T438—2023）的規(guī)定：A339P22布氏硬度值合格范圍為： 1 3 0 ～ 1 9 7 H B 。由表2可知，閥體不同位置硬度數(shù)值差別不大，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，表明該閥體經(jīng)過了固溶處理，消除了應(yīng)力集中[4]。

1.5 有限元分析

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對該閥體進行模擬仿真，模擬實際工況在 設(shè)計壓力 1 7 . 4 M P a 邊界條件下的進行應(yīng)力場進行分析。結(jié)果表明，應(yīng)力最大區(qū)域位于堵閥肩部內(nèi)壁處，肩部內(nèi)外兩側(cè)應(yīng)力較大，遠離直管段應(yīng)力逐漸減小。分析表明：該肩部區(qū)域內(nèi)外表面容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，該區(qū)域如果在外加應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)表面裂紋。

1.6化學(xué)成分分析

對該堵閥（材料為A339P22）試樣進行化學(xué)成分分析，試驗數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，該閥體材料檢驗結(jié)果符合《電站閥門鑄鋼件技術(shù)條件》（JB/T5263—2005）的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 結(jié)果分析與討論

通過以上幾種檢測試驗結(jié)果可知，拉伸試驗、硬度檢測均表明該材料成分符合要求，制造工藝和安裝過程也符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。依據(jù)有限元分析結(jié)果，該閥門閥體肩部內(nèi)外表面均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，若在外界應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生表面裂紋并進一步擴展斷裂，可以初步斷定該裂紋是在運行過程中產(chǎn)生的熱裂紋。鑄造工藝和應(yīng)力集中是導(dǎo)致裂紋尖端產(chǎn)生裂紋源的主要因素。此外閥體鑄造后未經(jīng)時效處理，運行中的高溫高壓、交變應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、熱應(yīng)力及內(nèi)應(yīng)力等因素也會造成一定影響[5]。

2.1 鑄件工藝

對于鑄件而言，主要影響因素是鑄造工藝性（包括熱裂性、流動性和收縮性等）。在鑄鋼合金成分中，最有害的化學(xué)成分是硫、磷。當(dāng) 5gt;0 . 0 3 % ， Pgt; 0 . 0 2 % 時，硫化物以鏈狀共晶形式分布時，易引起熱裂紋。合金元素的成分會造成（如砂眼、氣孔、裂紋、冷隔等）鑄造缺陷，合金元素的增多限制了鋼液的流動性，容易產(chǎn)生裂紋。因此，控制鑄造工件中S、P元素含量和合金元素成分至關(guān)重要。

2.2 結(jié)構(gòu)因素

通過有限元軟件ANSYS分析可知，鑄造閥門閥體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其主體厚度遠遠大于直管段且閥體表面肩部和突變處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在外界應(yīng)力綜合作用下容易產(chǎn)生裂紋擴展。

2.3 裂紋分析和產(chǎn)生機理

該裂紋形成原因較多，最主要因素有以下3點：① 結(jié)構(gòu)不合理，如壁厚相差較大、熱節(jié)較多而且較大、壁厚薄的轉(zhuǎn)角處圓角太?。?② 鑄件的壁厚不勻，導(dǎo)致鑄件的熱應(yīng)力不一致，薄壁處其對厚壁處的冷凝收縮起到阻礙作用，當(dāng)阻力超過強度極限時，就會產(chǎn)生熱裂紋； ③ 鑄件壁厚薄的轉(zhuǎn)角處圓角太小或呈尖角，引起應(yīng)力集中；圓角太大，容易出現(xiàn)新的熱節(jié)。

從宏觀和微觀特征判斷，該裂紋屬于應(yīng)力不均動力流動性裂紋，又稱熱裂紋。由于裂紋所在堵閥位置是表面的多處區(qū)域，其所受的應(yīng)力不均勻向四周方向均相等，故裂紋呈多種形態(tài)開裂[6]。

熱裂紋產(chǎn)生機理為裂紋前端尖細，邊緣平直，裂紋走向與最大應(yīng)力方向垂直，單道發(fā)展。鑄件在凝固后期，固相已形成完整的骨架，并開始線收縮，收縮受到阻礙，產(chǎn)生鑄造熱裂紋。微觀下外熱裂裂紋是一種晶界裂紋，沿晶粒的晶界延展。

3補焊工藝及壽命預(yù)測

3.1 補焊工藝

堵閥閥體裂紋清理后打磨深度和打磨面積決定了不同焊接工藝和修補工藝。打磨深度 h lt; 6 m m 時，不用補焊（需圓滑過渡）;打磨深度 h lt; 2 0 % 公稱壁厚或 2 5 m m 時，或打磨面積 時，可采用異質(zhì)冷補焊工藝；打磨深度 h ≥ 3 0 % 公稱壁厚或打磨面積 時，應(yīng)采用同質(zhì)熱補焊工藝，同時應(yīng)控制各種工藝參數(shù)，如焊條、預(yù)熱、層間溫度、消氫處理、焊后熱處理、升降溫速率等；補焊次數(shù)累計超過3次時，須整體更換[7]。

裂紋經(jīng)打磨消除后補焊焊條應(yīng)使用低氫焊條。補焊前，應(yīng)預(yù)熱，一般焊條應(yīng)經(jīng) 左右烘 焊前必須清除閥體表面鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)。焊接位置均勻預(yù)熱，溫度為 ，應(yīng)選背風(fēng)處或用擋風(fēng)板遮擋，避免快速冷卻，當(dāng)補焊一個堆層時，同時應(yīng)立即清除藥渣以降低補焊應(yīng)力。焊后需進行低溫消氫處理，以消除加速擴散氫。焊后至常溫 2 4 h 后進行表面無損檢測（選擇與原檢測方法相同的檢測方法進行），以確保新缺陷的產(chǎn)生。

3.2壽命預(yù)測

電站鍋爐受熱面堵閥裂紋屬于重大缺陷，應(yīng)及時消除，必要時進行補焊，否則不得使用。若出現(xiàn)多條裂紋聚集成密集裂紋、疲勞產(chǎn)生的裂紋和苛性脆化產(chǎn)生的裂紋時應(yīng)進行挖補或更換的方法進行處理。對于能停機的鍋爐需緊急停爐打磨消除處理，打磨超過一定數(shù)值時需補焊處理；對于不能停機無法處理缺陷的機組，須在線監(jiān)測設(shè)備及時監(jiān)控裂紋擴展情況，同時應(yīng)做好應(yīng)急措施，應(yīng)對事故發(fā)生。

4結(jié)論

① 從堵閥裂紋產(chǎn)生的部位、擴展方向、金相顯微形態(tài)等方面的特征，判斷裂紋性質(zhì)為應(yīng)力不均動力下流動性熱裂紋。

② 堵閥材質(zhì)為A339P22（WC9）鋼，補焊時應(yīng)嚴格控制焊接工藝、焊后及時后熱、完工后增加表面無損檢測，以防止裂紋的出現(xiàn)。

③ 對出現(xiàn)表面裂紋的堵閥應(yīng)及時消除處理，不能處理時候應(yīng)實現(xiàn)在線監(jiān)測設(shè)備監(jiān)控裂紋擴展。

參考文獻：

[1全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會：電站鍋爐主要承壓部件壽命評估技術(shù)導(dǎo)則：GB/T30580—2022[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2022.

[2]張軍.鍋爐分隔屏過熱器爆管原因分析及處理[J]中國特種設(shè)備安全，2024（9）：62-66.

[3]鄧兵，劉獻游.在役電站鍋爐鑄鋼C12A堵閥的無損檢測[J].中國特種設(shè)備安全，2015（12）：53-56.

[4]電力行業(yè)電站金屬標(biāo)準(zhǔn)化委員會：火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程：DL/T438-2016[S].北京：中國電力出版社，2016.

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[6]劉晨，高淼淼.某超臨界機組主汽三通開裂原因分析與探討[J].西部特種設(shè)備，2021（5）：52-59.

[7]姜保米，葉永峰，龐凱杰.電站鍋爐高溫再熱器堵閥補焊工藝[J].焊接技術(shù)，2022（9）：70-74.