1、某电厂减温减压器管道出口异径管件周向开裂原因分析摘 要：为了查明某自备电厂 4 号减温减压器管件开裂泄漏原因，利用外观分析、化学成分分析、显微组织检测等试验方法对管件开裂原因进行了试验分析。结果表明，管件由于减温减压器运行时介质温度频繁变化产生的交变热应力，同时由于管件属于异径结构存在较多变截面区域，在频繁的交变应力作用下，在焊缝附近沿管件内壁、外壁变截面处应力集中区域开裂泄漏，属于疲劳导致的失效。此外，管件化学成分、抗拉强度、延伸率均符合相关技术标准，屈服强度低于标准要求。 关键词：减温减压器 异径管件 周向裂纹 疲劳 1 前言 由于现代动力工程和热能技术要求高温高压锅炉产生过热度极高的过热
2、蒸汽，但对某些设备工艺要求，这样的蒸汽也许是过于或过热的。例如：当换热器用于制程操作时，使用过热蒸汽由于低的传热系数而降低效率，使用饱和蒸汽更加适合。另外当高压的半饱和蒸汽减压至低压时，在下游出口会产生过热度。这样都需要将过热的蒸汽降温至所需的接近饱和的温度，这就需要减温器。在很多情况下需对高压过热的蒸汽同时进行减温和减压。减温减压装置是高效节能环保产品。为了满足不同设备丁艺要求，通过采用减温减压（减温、减压）器，实现全套智能化自动控制并同 DCS 系统联网。1 某化工自备电厂 4 号减温减压器在运行过程中，管道出口处发生蒸汽泄漏。随后停运发现出口处的异径管件在焊缝附近出现周向裂纹。该减温减压
3、器为进口设备，有关设计参数如下：正常流量 250t/h，进口蒸汽温度 540、压力 9.8MPa，出口蒸汽温度 400、压力 4.0Mpa。减温减压器实际工作压力为 3.5MPa，实际流量未超 140t/h，运行温度 430，减温减压器管道出口异径管件安装于 2009 年 11 月份，减温减压后的中温中压蒸汽输往化工区使用。泄漏发生时，该设备运行仅 5 个月。 减温减压器管道出口异径管件，材质均为 20G，其中沿钢管内壁变截面处开裂的位置规格为 273mm，以下均称 273mm 管件，沿外壁变截面开裂钢管最大直径处规格为 377mm，以下均称 377mm 管件。 为了查明管件开裂泄漏原因，利用
4、外观分析、化学成分分析、显微组织检测等试验方法对管件开裂原因进行了试验分析。 2 试验分析情况 2.1 化学成分分析 在 273mm 和 377mm 管件上分别取样进行化学成分分析，按照GB/T 4336-2002碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法） 在型号 SPECZROMAXx 台式直读光谱仪上进行试验，检测数据见表 1，结果表明，管件化学成分均符合 20G 钢相关标准的技术要求。 2.2 室温拉伸试验 2.3 宏观检验 管件裂纹分别位于焊缝附近两侧的钢管母材变截面处，其中一侧裂纹沿钢管内壁变截面周向分布，另一侧裂纹沿钢管外壁变截面处周向分布，见图 14。 2.4 管件显
5、微组织观察 2.4.1 273?管件显微组织正常（见图 5） ，为铁素体+珠光体，根据电力行业相关标准要求3-4，该组织基本无球化、石墨化现象，开裂位置位于母材，裂纹尖端圆钝，裂纹沿内壁加工刀痕扩展5-6，见图67。 2.4.2 377mm 管件显微组织正常（见图 8） ，为铁素体+珠光体，根据电力行业相关标准要求3-4，该组织基本无球化、石墨化现象，开裂位置同样位于母材，裂纹尖端圆钝，裂纹沿外壁加工刀痕扩展5-6，见图 910。 3 试验结果及分析 3.1 按照 GB/T 4336-2002碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法） 分析表明，377mm、273mm 管件的化学成
6、分均符合 20G 钢相关技术标准2的要求。 3.2 管件显微组织正常，为铁素体+珠光体， 组织基本无球化、石墨化现象，表明管道无过热老化现象。 3.3 常温拉伸试验表明，377mm 管件的室温抗拉强度、延伸率均符合相关技术标准的要求，但屈服强度偏低，易在低应力下产生塑性变形，促使疲劳裂纹形成3。 3.4 由于减温减压器出口管道主要以承受介质温度频繁变化引起的疲劳载荷为主，而异径管件的使用，为了便于焊接，需要加工管壁形成变截面区域，导致应力集中，加快了疲劳破坏的速度，因此，异径管件的使用在设计上存在缺陷。 3.5 安排对减温减压器管道支吊架进行了全面检查，未发现有明显变形的支吊架。且在根据资料7
7、说明两点：1）中间支架脱空，减温减压器一次应力超标，喷水阀后管道容易产生裂纹；2）中间支吊架脱空，在大小头的小头处一次应力并不大（一次应力合格） ，在支架脱空情况下，管系应力不是该处产生裂纹的主要原因。所以管道支吊架检查只作为次要原因。 3.6 根据资料7表明减温减压器管道上下存在较大的温差，尤其是在某种切换工况时管内可能存在凝结水，高温蒸汽通过管道使无水的管壁快速升温，从而造成低温处较高的轴向拉应力，这种较高的热应力或者热疲劳应力是裂纹开裂的主要原因。所以减温减压器管件失效是由于运行时介质温度频繁变化产生的交变热应力作用，在管件内壁、外壁变截面处的应力集中区域沿加工刀痕开裂，并导致蒸汽泄漏，
8、属于热疲劳导致的管件失效8-9。 4 结论及对策 4.1 减温减压器管件失效的主要原因是由于热应力或者热疲劳应力，由于运行时介质温度频繁变化产生的交变热应力作用，在管件内壁、外壁变截面处的应力集中区域沿加工刀痕开裂，并导致蒸汽泄漏，属于热疲劳导致的管件失效。 4.2 异径管件在减温减压器出口管道的使用设计上存在缺陷，容易在加工过程中造成管道内壁留有加工制造缺陷，进而造成应力集中区疲劳开裂。建议减温减压器管道在出口处更换为无截面变化的直管道，避免加工制造过程中的刀痕缺陷造成应力集中区。 4.3 管件无老化过热现象，不存在超温运行的情况。但在实际操作过程中仍然应该注意避免超温导致管道产生老化现象，
9、进而产生裂纹。 4.4 检查类似结构的减温减压器出口管件变截面区域，防止疲劳引起管件开裂泄漏。 4.5 在减温减压器日常运行过程中，注意检查支吊架完好情况。虽然支吊架脱开等不是发裂纹开裂的主要原因，但支吊架损坏后也会造成应力集中，诱发裂纹扩展。 4.6 377?管件的屈服强度偏低，易在低应力下产生塑性变形，促使疲劳裂纹的形成，建议更换为屈服性能合格的材料，或者彻底更换为屈服性能更好的材料。 参考文献 1 白会平，牟福祥，李世虎等. 减温减压调节装置在电厂的应用分析及功能探讨J.电气传动自动化，2009（4）：62-65. 2 李奇，成海涛，晏如等.GB 5310-2008 高压锅炉用无缝钢管S
10、. 北京：中国标准出版社，2009.10 3励德成，徐俊，卜永康等.DL/T 674-1999 火电厂用 20 号钢珠光体球化评级标准S. 北京：中国电力出版社，1999.10 4 李耀君，肖向东，张淑霞等.DL/T 786-2001 碳钢石墨化检验及评级标准S.北京：中国电力出版社， 5侯旭明，刘素芬，王立杰等.盘齿轮失效分析J. 理化检验-物理分册.2006，42（1）：40-42. 6刘源，于金江，徐岩等. 单晶高温合金的冷热疲劳裂纹生长行为研究J.稀有金属材料工程.2009，38（1）：59-63. 7陈峰，任文红，刘晋普. 3 号、4 号减温减压器支吊架系统运行状况分析J.山西建筑.2004，30（9）：128-129. 8王仁智，吴培远.疲劳失效分析M.北京：机械工业出版社，1987.10 9吴连生.失效分析技术M.重庆：四川科学技术出版社，1985.4
