主蒸汽管道裂纹原因分析

主蒸汽管道裂纹原因分析

王雯

（中冶北方（大连）工程技术有限公司辽宁大连116600）

摘要：在我国不断发展的过程中，我国的科技在不断的进步，本文根据主蒸汽管道弯头处裂纹实例，采用多种检测方法对裂纹产生原因进行分析，结合主蒸汽管道管线布置结构分析了裂纹产生的原因，最后提出了减小裂纹产生原因的相应预防措施与建议。

关键词：主蒸汽管道；裂纹；应力分析

引言

汽轮机的主蒸汽管属于高温高压管道系统，管道材料一般选用铬钼合金钢。铬钼合金钢具有耐高温耐氢腐蚀的特点，其具有较强的冷热裂纹倾向，这些裂纹倾向如果没有得到及时的处理，会造成裂纹的产生并进一步扩大，给生产运行带来严重的安全隐患。本文中笔者结合某工厂高压蒸汽管道焊缝在运行中出现裂纹的案例，通过现场调查及查询相关资料，对出现裂纹的原因及处理方法进行了探讨。

1主蒸汽管道及裂纹概况

1.1主蒸汽管道布置

炉右侧主蒸汽管道由高温过热器出口集箱从大包引出后，通过第1个弯头向下到达平台处，然后经第2个弯头引向炉前方向，到达炉前侧后经第3个弯头向下引出，最终通往汽机房。

1.2裂纹位置及形式

经现场磁粉检测发现，在炉右侧主蒸汽管道第二个弯头上存在多处裂纹，裂纹主要分布于弯头测沿熔合线处的焊缝、热影响区及附近区域母材上，其中弯头内、外弧两侧方向上较为集中，裂纹长度2mm～100mm，沿焊缝周向开裂，裂纹边缘尖锐、部分裂纹有分枝开叉，后经打磨消除，打磨深度最深处约20mm。

2裂纹原因分析

2.1裂纹性质分析

①裂纹产生于焊后热处理高温过程中。从裂纹断面所附着的氧化皮可以推测出，该裂纹产生于高温下，由于所有的焊接接头在实际生产中不可能经历高温，所有的裂纹所处的高温，只可能来自于焊接过程或焊后热处理过程。②裂纹具有典型的CrMoV钢再热裂纹特征。传统CrMoV耐热钢再热裂纹形成机理为晶内沉淀强化或晶界杂质弱化。晶内沉淀强化或晶界杂质弱化发生在接头靠近熔合区的被加热到极高温度（＞1300℃）时的热影响区。晶内沉淀强化的结果，使应力松弛过程中所产生的变形集中于晶界，当晶界的塑性不足时，产生再热裂纹；晶界弱化的结果，使晶界的塑性变形能力大大降低，当应力松弛所产生的变形超过了晶界的塑性变形能力时，就会产生再热裂纹。根据这两种机理，再热裂纹的特征是：裂纹位于有应力集中的焊趾附近热影响区的粗晶区，在原奥氏体晶界萌生，沿晶扩展，在没有进一步应力的作用下，裂纹通常在细晶区扩展停止。从主裂纹和微裂纹形态与走向看，裂纹为沿晶断裂并具有三晶界开裂形貌，再热裂纹特征明显。

2.2检验结果分析

根据检测结果，该处管材及焊缝化学成分满足标准要求，不存在错用管材焊材的现象；材料结构组织完好，未产生较明显球化、老化迹象；母材、焊缝硬度值在正常范围之内；金相分析结果显示，裂纹开口处材质正常，裂纹末端开口尖锐，属于外力作用超出强度范围所致。

2.3该段主蒸汽管道受力分析

针对主蒸汽管道受力分析而言，管道受力情况与其结构布置和运行情况有关，合理的结构布置和运行情况能减小应力集中现象的发生，管道在启停和正常运行过程中主要受力包括：由于管道承受的外部荷载、内压力及管道由于热胀、冷缩时的位移受约束而产生的应力等；（1）高温过热器出口集箱出口到第3个弯头出口间的管道管线结构图所示，主蒸汽第二个弯头和第三个弯头之间存在一段较长的水平直段管系，中间直段上有一处堵阀，无其他补偿装置和固定支架，仅依靠该段管道两端弯头处L型自然补偿，且第2个弯头上侧L型补偿管段短臂长度较短，补偿作用有限。主蒸汽管道工作温度540℃，工作压力17.5MPa，在长期运行过程中，水平中间管段长度较长，由于主蒸汽温度高，沿水平管道轴向产生较大的膨胀量，在补偿不足的情况下，管道弯头处承受来自水平直段管道的轴向推力，弯头处特别是弯头上侧焊口附近产生剪切应力集中现象，当应力超出管材强度极限时就会造成损伤；同时该机组在运行期间多次启停，机组启动过程中，主蒸汽管系由常温到工作压力整个管线存在热膨胀，造成弯管向弯管外侧拉应力和弯管内侧压应力，停机过程中冷缩等变形同样产生应力，也是造成裂纹的主要原因。（2）另外管道内压载荷作用下弯头处造成的应力集中，管道、管道附件、保温及工质外载荷以及启停过程中沿管壁厚度方向递减温度梯度，引起弯管处应力不均也对裂纹的产生有一定影响。

2.4热处理分析

焊缝焊接完成并经外观检查合格后立即进行热处理。选用电加热绳对焊缝、热影响区及相邻母材进行缠绕，缠绕宽度250mm，两个测温用热电偶对称布置。选用50mm厚保温棉对电加热绳及其100mm范围的母材进行保温。加热温度自由升温至400℃时，控制加热速率为180℃/h，加热温度达到720℃时，做恒温处理。恒温时间达到2小时后，开始降温，控制降温速率为220℃，降温至400℃时，关闭热处理设备，进行自然冷却。用测温枪检查管道保温棉处的温度，降温达到100℃时拆除保温棉、电加热绳及热电偶。

2.5清理焊缝

用氧气乙炔火焰气刨焊肉至7mm左右厚度，然后用砂轮机打磨，将裂纹部位及其附近焊肉全部打磨干净。对存在裂纹部位的对侧焊肉，也打磨至2～3mm厚度。由于该管道焊缝处温度在76～100℃，无法采用PT或MT进行检测，现场采用手电筒照射，放大镜、肉眼检查坡口及焊肉外观质量。

3预防措施

目前，我国的科技发展十分迅速，根据上述造成合金钢焊缝裂纹的可能原因，为防止以后项目出现类似问题，类似工程项目施工时，应注意下述几点：（1）合理安排焊接顺序，管线安装焊口尽量选在同材质同厚度的位置，比如上图2，安装焊口选在弯头和管子对接焊缝67#焊口处。阀门处的不等厚焊件焊缝在地面优先预制完成。（2）管道焊接时受力是造成裂纹的一个关键因素，因此在焊接过程中要采取有效措施保证焊口组对时不受外力影响。（3）有效的焊前预热和及时进行焊后热处理可以有效减少和避免裂纹的产生，所以在施焊过程中应严格按照标准规范及相关焊接工艺文件进行焊接过程控制，注意焊条的烘烤和使用，严格执行焊前预热，焊接过程中控制好层间温度，焊后应立即进行热处理。

结语

（1）由于裂纹缺陷处的主蒸汽管系水平管段长度过长且缺少有效补偿，水平管段热膨胀产生的轴向推力造成弯头处，特别是上侧焊口处应力集中现象，与启停过程水平管段热膨胀在直角弯头处产生的应力共同作用使该处受力超出材料强度是造成裂纹主要原因；（2）管道外载荷、内压载荷以及启停过程中弯管处沿管道壁厚方向温度梯度引起的应力不均等其它应力共同作用从一定程度上促进了裂纹的生成。为了预防事故的发生，减少裂纹对主蒸汽管道安全运行的影响，应在裂纹打磨消除后根据消除情况制定合理的返修措施，在修复已有缺陷的机上加强日常管理，合理调度减少启停频次，条件允许的情况下对该段管线加强补偿，减小缺陷处的应力集中现象，为机组的安全运行提供合理有效的保障。

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