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電站鍋爐安全閥連接焊縫失效分析

文檔作者：王賓，溫秉權，路學成，許愛芬文檔來源：軍事交通學院裝運機械系		點擊數：	更新時間： 2021年11月13日
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：倉!／ !— !舍!舍!舍!舍!
～ 失效分析一
電站鍋爐安全閥連接焊縫失效分析
王賓，溫秉權，路學成，許愛芬
(軍事交通學院裝運機械系，天津 300161)
摘要：電站鍋爐熱管往往由于安全閥連接焊縫開裂而失效。對天津某電廠的安全閥連接焊縫測定了材料
的性能和應力。結果表明，安全閥連接焊縫開裂主要是由于安全閥動作時產生的瞬間動態(tài)應力所
致。采用液壓式阻尼器能有效防止安全閥連接焊縫開裂。
關鍵詞：安全閥；連接焊縫；性能；應力
中圖分類號：TG404 文獻標識碼：B 文章編號：1008·1690(2010)06—0074—004
Failure Analysis on Safety Valve Jointing Weld of Power Utility Boiler
WANG Bin，WEN Bing—quan，LU Xue—cheng，XU Ai—feng
(Handling Equipment Mechanical Department，Academy of Military Transportation PLA，Tianjin 300161)
Abstract：The failure of hot pipe of power utility boiler arises frequently from the cracking of safety valve jointing
weld．The property and stress were measured for the safety valve jointing weld of a power plant in Tianjin．The results
reveal that the cracking of safety valve weld arises primarily from an instantaneous dynamic stress resulting from the
moving of safety valve，and the application of hydraulic damper may prevent the safety valve from cracking．
Key words：safety valve；jointing weld；property；stress
在電力系統(tǒng)鍋爐熱管失效事例中，安全閥與設
備連接焊縫頻繁出現裂紋已成為一個非常突出的問
題。由于安全閥動作時，對管道產生很大的排氣反
力，往往導致焊縫開裂，其失效后高壓、高溫蒸氣對
設備、人身安全的危害極大。因此對安全閥連接焊
縫進行失效分析對電力安全生產具有十分重要的現
實意義。
為了防止焊縫裂紋，需要對焊縫進行材料性能
和應力分析，分析其可能的失效原因。以天津某電
廠為例，該廠機組已累計運行l(wèi)2萬h，為了了解管
道在使用中組織和性能的變化以及安全閥動作時的
焊縫應力狀況，對管材試樣進行了化學成分分析、力
學性能試驗、金相分析和高溫拉伸性能試驗，對管道
進行了有限元數值分析，以獲得連接焊縫部位在安
全閥動作時的應力狀況。
1 化學成分
由表1可知，監(jiān)督段部分材料在高溫和應力條
件下運行12萬h之后其化學成分變化不大，基本符
合國家標準。
本試驗所用的材料為從鍋爐管道監(jiān)督段切取的
帶有環(huán)焊縫的直管段，其化學成分見表1。
表1 試驗材料的化學成分(質量分數。％)
Table 1 Chemical composition of material used for test(＼『I，t％)
收稿日期：2009．09—17
作者簡介：王賓(1977．)，男，江蘇姜堰人，碩士，講師，主要從事焊接材料結構強度和斷裂方面的研究。聯(lián)
系電話：13512062930，E—mail：ice—wangbin@126．con
· 74‘ 《熱處理》 2010年第25卷第6期
2 顯微組織
鋼中碳化物的球化過程包括從片狀轉化成球狀
和球狀粒子長大兩個過程。鋼中的碳化合物球化
后，鋼的蠕變極限和持久強度會下降。球化現象越
嚴重，高溫性能就越差。
珠光體中片狀滲碳體表面積較大，具有較大的
表面能量，有從較高的能量狀態(tài)向較低能量狀態(tài)轉
化的趨勢。在常溫或溫度較低時，原子的活動能力
較弱，一般不能完成上述轉變，所以這時的片狀碳化
物還是比較穩(wěn)定的。但是，在高溫和應力的長期作
用下，原子的活動能力增強，擴散速度也增大，具備
碳化物從片狀向球狀轉化的條件。由于球狀物的表
面積最小，因而其表面能也最小，所以片狀碳化物就
向球狀轉變 。
電廠用鋼引起球化的原因，一是高溫，二是高溫
下工作的時間長，尤其是超溫運行或工作溫度經常
上、下波動，會促進球化的產生和發(fā)展。
為了加強對金屬構件的監(jiān)督，已經編制了球化
級別標準，可作為各電廠評定球化級別時參考。
3 DL／T773-200 1火電廠用12Cr1 MoV
鋼球化評級標準
監(jiān)督段管道母材顯微組織如圖1所示。其組織
接近于完全球化，其中白色晶粒為鐵素體，黑色晶粒
為珠光體，在原珠光體位置的碳化物已經完全球化，
球化級別為3．5級。另外在鐵素體的晶界上碳化物
已經有所聚集。其組織為鐵素體基體中分布著球狀
碳化物。
圖1 管道母材的顯微組織X500
Fig．1 Microstructure of pipe base metal X 500
焊縫熱影響區(qū)的顯微組織如圖2所示，組織為
鐵素體+回火貝氏體。熱影響區(qū)處于中度老化階
段，其寬度平均為3 mm。
4 力學性能
圖2 熱影響區(qū)的顯微組織×500
Fig．2 Microstructure of heat affected zone ×500
焊縫顯微組織如圖3所示，組織為回火貝氏體。
沒有發(fā)現其他明顯缺陷。
圖3 焊縫的顯微組織X500
Fig．3 Microstructure of weld ×500
4．1 常溫力學性能
依據國標GB／T 228．2002_4 和GB／T 2651—
1989 選取母材和焊接接頭分別進行了拉伸試驗，
依據國標GB／T 229．1994[ 和GB／T 2650—1989[ 選
取母材和焊接接頭分別進行了夏氏沖擊試驗，測試
結果列于表2。
表2 運行12萬h后12CrlMoV鋼的常溫力學性能
Table 2 Mechanical properties at room temperature
of 1 2CrlMoV steel after operating for 1 20 000 h
4．2 高溫力學性能
根據GB／T 4338—1995[引，在540℃ 進行拉伸試
驗，所得12CrlMoV鋼的高溫力學性能如表3所示。
《熱處理》 2010年第25卷第6期
表3 運行12萬h后12Crl MoV鋼的高溫力學性能
Table 3 Mechanical properties at high temperature
of 1 2Crl MoV steel after operating for 1 20 000 h
根據GB／T 150—1998《鋼制壓力容器》 J，許用
應力是鋼材的各項強度數據分別除以相應的安全系
數，取其中的最小值。12CrlMoV鋼540℃運行12
萬h安全系數n 為3，n 為1．6。根據表3，母材的
許用應力[ ] 為78．5 MPa，焊接接頭的許用應力
[Or] 為63 MPa。
5 應力分析
由于安全閥動作時很難通過實驗測得連接焊縫
部位的應力，所以有限元數值分析法是更為簡便可
行的方法。
本課題選用CAESARII管道應力分析軟件對安
全閥動作時連接焊縫部位的應力狀態(tài)進行了模擬。
5．1 結構模型與計算條件
根據電廠所提供的設計圖及現場勘察，利用
CAESARII管道應力分析軟件獲得安全閥連接管道
的結構示意圖，如圖4所示。熱管與過熱器集箱相
連，在分析過程中熱管的下端設為固定約束。安全
閥動作時的計算條件見表4。
與安全閥
進口相連
的熱管
圖4 管道結構示意圖
Fig．4 Schematic diagram of pipe stucture
5．2 應力分析結果
利用CAESARII管道應力分析軟件計算的安全
閥關閉的應力分析報告和安全閥動作時的應力分析
結果見表5。
表4 安全閥的計算條件
Table 4 Calculation conditions for safety valve
項目
工作溫度／下
蒸氣釋放時的壓力／lb．／sq．in．
安全閥喉部內徑／in．
與安全閥出口相連的管系內徑／in
放空管管系內徑／in．
放空管管系厚度／in．
放空管長度／ft．
放空管是否傘狀連接
管道及安全閥材料
比定體熱容(蒸氣)／k
氣體常數(蒸氣)( )
安全閥開啟時間／ms
安全閥關閉時間／ms
安全閥持續(xù)時間／s
表5 應力分析結果
Table 5 Stress analysis results
安全閥關閉
位置 彎曲應等效應
力／MPa 力／MPa
安全閥動作
軸向應彎曲應等效應
力／MPa 力／MPa 力／MPa
安全閥與熱7
． 14 8．O2 1．87 46．16 48．01
管連接焊縫
從安全閥關閉時的應力值可以看出，在安全閥
與熱管的連接焊縫處產生的等效應力值為8．02
MPa，遠遠低于焊縫運行12萬h后在540 cc的許用
應力[or] (母材78．5 MPa，焊接接頭63 MPa)。由
安全閥動作時的應力值得出，安全閥排放所產生的
最大動態(tài)應力的等效應力值為48．01 MPa。比較兩
個應力值可以看出，安全閥動作時會在焊縫部位產
生很大的應力，其值是安全閥關閉時的6倍。雖然
這個應力還沒有達到母材和焊接接頭的許用應力，
但是已經比較接近焊接接頭的許用應力63 MPa。
6 失效的綜合分析
安全閥連接焊縫產生裂紋與其服役條件和材料
特性密切相關，通過以上的材料性能測試和應力分
析可以找到安全閥連接焊縫失效的原因 9 J。
(1)安全閥連接焊縫在經過12萬h的高溫和應
力條件下的運行后，成分基本符合國家標準，所以成
分的變化對安全閥連接焊縫產生裂紋的貢獻不大。
(2)珠光體的球化和碳化物的聚集是安全閥連
接焊縫的常溫和高溫力學性能迅速下降的重要原
因，它對安全閥連接焊縫產生裂紋的貢獻很大。
(3)由于安全閥連接焊縫長時間在高溫蒸氣和
· 76’ 《熱處理》 2010年第25卷第6期
皴一2一 一 一( 是2一 ∽ ∞
應力條件下工作，高溫腐蝕可能使管壁減薄，珠光體
的球化和碳化物的聚集會導致蠕變強度和持久強度
降低。焊縫雖然經過熱處理，但由于管道結構復雜，
焊接殘余應力不可能徹底消除。因此高溫腐蝕、蠕
變強度和持久強度的降低以及焊縫中存在的內應力
也是安全閥連接焊縫產生裂紋的重要原因。
(4)安全閥動作時在焊縫部位產生6倍于正常
狀態(tài)下的應力，這個應力不僅其數值接近許用應力，
而且是一個瞬間動態(tài)應力，所以安全閥動作時產生
的應力對安全閥連接焊縫處產生裂紋的貢獻最大。
綜上所述，導致焊縫部位產生裂紋的主要原因
可歸結為溫度和應力兩種因素，其中安全閥動作時
產生的瞬間動態(tài)應力是最主要的原因。
7 預防措施
由于安全閥連接焊縫長期在高溫和應力條件下
運行，所以由溫度引起的材料性能下降是不可避免
的。針對這種情況，預防安全閥連接焊縫失效的可
行方法應該從減少安全閥動作時在焊縫處產生的應
力人手。從安全閥動作時的應力分析可知，在安全
閥動作時，會在如圖4所示的放空管起始端彎頭處
產生一個很大的推力，從而導致在焊縫處產生6倍
于正常應力的應力值。在彎頭下方添加一個Y方向
約束，來減少安全閥動作時瞬間外力在連接焊縫處
產生的應力。利用CAESARII管道應力分析軟件計
算結果表明，添加Y方向約束后焊縫處的等效應力
值為36．48 MPa，減少了24％ 。
所以用一個裝置在彎頭下方施以Y方向的約束
力，可以大大降低安全閥動作時焊縫處的應力，從而
可預防安全閥連接焊縫失效。
采用對速度反應靈敏的液壓式阻尼器可以有效
地預防安全閥連接焊縫失效¨ 。液壓式阻尼器的
作用：
(1)在安全閥動作時，該裝置相當于一個剛性
約束，能承受安全閥排氣引起的推力，保護所支撐的
管道不會因偶然承受沖擊載荷而損壞，同時降低安
全閥連接焊縫處的應力。
(2)在管道處于正常工況下，不影響管道由于
熱脹冷縮引起的緩慢移動，即管道緩慢移動時，該阻
尼裝置也隨著移動，對管道產生的外力很小。
8 結束語
以天津某電廠的與過熱器集箱相連的安全閥連
接焊縫為例，在對熱管及焊縫取樣進行性能和應力
分析的基礎上分析了安全閥連接焊縫的失效機制，
得出了安全閥連接焊縫失效的原因主要是長時間在
高溫、應力條件下服役，使材料性能下降和安全閥動
作時的排氣反力過大兩個原因，為此選用了液壓阻
尼器來減少安全閥動作時的排氣反力。采用CAE—
SARII管道應力分析軟件，對應用阻尼器后安全閥
連接焊縫處的應力狀態(tài)進行了數值模擬分析，證明
阻尼器能有效防止安全閥因連接焊縫開裂而失效。
參考文獻
[1] GB／T 5310-2008，高壓鍋爐用無縫鋼管[S]．北京：中國標準
出版社，2008．
[2] GB／T 5118-1995，低合金鋼焊條[S]．北京：中國標準出版社，
1995．
[3] 趙登志，鞠占英，宋靜．溫度對12CrlMoV鋼管珠光體球化
及力學性能的影響[J]．電站系統(tǒng)工程，2002，18(3)：58-59．
[4] GB／T 228-2002，金屬材料室溫拉伸試驗方法[S]．北京：中國
標準出版社，2002．
[5] GB／T 2651-2008，焊接接頭拉伸試驗方法[S]．北京：中國標
準出版社，2008．
[6]GB／T 229—1994，金屬夏比缺口沖擊試驗方法[S]．北京：中國
標準出版社，1994．
[7]GB／T 2650-2008，焊接接頭沖擊試驗方法[S]．北京：中國標
準出版社，2008．
[8] GB／T4338-2006，金屬材料高溫拉伸試驗[S]．北京：中國標
準出版社，2006．
[9] GB／T 150—1998，鋼制壓力容器[S]．北京：中國標準出版社，
l998．
[1O] 張光純．大型電站鍋爐事故分析及預防措施[M]．北京：機械
工業(yè)出版社，1990．
[11]劉銀水，周勇，等．液壓阻尼器動靜態(tài)性能試驗臺的設計研
究[J]．振動、測試與診斷，2007。(3)：204-207．
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上海上起熱處理有限公司，地處上海市奉賢區(qū)洪廟，是一家大型熱處理企業(yè)，擁有大型燃油爐、大型深井
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《熱處理》 2010年第25卷第6期

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