主蒸汽管道汽液兩相流疏水器疏水閥焊口斷裂分析及處理

      主蒸汽管道汽液兩相流疏水器疏水閥焊口斷裂分析及處理，某電廠主蒸汽疏水管道汽液兩相流疏水器疏水閥在更換后短時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂故障，呈整體撕裂脆性斷裂，位于閥體和自帶焊接短管之間的焊縫，現(xiàn)場(chǎng)檢查顯示閥體/管道材質(zhì)無(wú)誤，有限元仿真計(jì)算顯示大應(yīng)力位于焊縫內(nèi)表面，與實(shí)際斷裂位置一致，大Mises應(yīng)力達(dá)到257.7MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)P91材料對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力，進(jìn)一步明確了故障的原因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)缺陷。
      在火電機(jī)組中疏水管道均與主管道直接相連，主要用于將管道中的冷凝水排放到管道外，以防止液態(tài)水突然汽化導(dǎo)致管內(nèi)壓力突變，火電廠高溫蒸汽管道的疏水管路上一般依次布置有一組手動(dòng)汽液兩相流疏水器疏水閥和一組自動(dòng)疏水閥，手動(dòng)疏水閥在運(yùn)行過(guò)程中一般保持常開狀態(tài)，使得自動(dòng)疏水閥前管段內(nèi)的介質(zhì)與主管道直接相通，承受著與主管道相同的溫度壓力載荷。因?yàn)槭杷�管道的各種特性，造成疏水管道開裂、爆管類事故頻發(fā)，成為危及機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要隱患點(diǎn)，導(dǎo)致疏水管道開裂的常見(jiàn)原因有：應(yīng)力超標(biāo)、磨損嚴(yán)重、焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、材料用錯(cuò)等。
1故障介紹
      某600MW超臨界火電機(jī)組，在運(yùn)行過(guò)程中汽機(jī)房發(fā)出異響，檢查發(fā)現(xiàn)汽機(jī)6.9米層汽輪機(jī)底部右側(cè)大量蒸汽泄漏，機(jī)組停機(jī)后進(jìn)一步檢查確認(rèn)為汽輪機(jī)右側(cè)主蒸汽管疏水一次閥（氣動(dòng)閥）前管道斷裂，導(dǎo)致主蒸汽大量泄漏。
      該主蒸汽管道設(shè)計(jì)溫度576℃、設(shè)計(jì)壓力25.4MPa，主蒸汽管道及疏水管道設(shè)計(jì)材質(zhì)均為P91，疏水管道規(guī)格Φ57×9mm。現(xiàn)場(chǎng)檢查顯示該疏水一次閥閥體自帶短管插接焊縫整圈斷裂，斷裂形貌見(jiàn)圖1。
2現(xiàn)場(chǎng)檢查
      現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得知該疏水閥為前次大修時(shí)新更換的產(chǎn)品，截至事故發(fā)生時(shí)機(jī)組剛運(yùn)行10天，疏水閥由閥體和焊接接管座組成，查閱產(chǎn)品說(shuō)明書得知汽液兩相流疏水器疏水閥閥體設(shè)計(jì)材質(zhì)為F91、外徑87mm，接管座設(shè)計(jì)材質(zhì)為P91、規(guī)格Φ57×9mm，現(xiàn)場(chǎng)采用ARL8860型直讀式光譜儀對(duì)該疏水閥材質(zhì)進(jìn)行了復(fù)核，檢查結(jié)果顯示各檢測(cè)部件材料化學(xué)成分正常、材質(zhì)無(wú)誤，詳細(xì)化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1所示。
      現(xiàn)場(chǎng)觀察可知斷裂位置為汽液兩相流疏水器閥體和自帶焊接短管之間的焊縫，為廠家制造焊縫，焊接型式為不同管徑間的管與管角焊縫模式，為非全焊透結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)觀察斷裂面，呈整體撕裂脆性斷裂，檢查發(fā)現(xiàn)短管未打坡口，焊接的有效面積明顯小于短管壁厚，焊接工藝及焊接質(zhì)量不符合DL/T869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求，初步判斷為焊接強(qiáng)度明顯不足，導(dǎo)致焊縫整體斷裂。
3汽液兩相流疏水器結(jié)構(gòu)受力仿真分析
      為進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析判斷的正確性，在此依照現(xiàn)場(chǎng)斷裂結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)尺寸，建立三維有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力仿真分析計(jì)算�？紤]到疏水閥兩側(cè)均布置有滑動(dòng)支架，且現(xiàn)場(chǎng)疏水管道柔性足夠、管道膨脹狀態(tài)正常，因?yàn)榭芍�該汽液兩相流疏水器疏水閥兩側(cè)所承受的彎矩及軸向力均較小，斷裂焊口位置主要承受的是介質(zhì)內(nèi)壓。因而在此只建立斷裂焊口區(qū)域的閥體及管道三維模型，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，在此只選取四分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元?jiǎng)澐�，整個(gè)模型全部采用六面體單元，焊縫處網(wǎng)格加密，如圖2所示。
      考慮到汽液兩相流疏水器疏水閥斷裂區(qū)域的熱態(tài)工作溫度高，在此采用熱固耦合分析法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算，根據(jù)模型材料特性，結(jié)合管道設(shè)計(jì)溫度/壓力情況，采用線彈性本構(gòu)模型，輸入P91材料物理計(jì)算參數(shù)，如表2所示，考慮到焊縫和母材的高溫物理性能基本一致[5]，在此模型均統(tǒng)一輸入P91材料物理參數(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)，在該四分之一模型的對(duì)稱面上添加法向位移約束，在模型的一端也添加法向位移約束，另一端保持自由。模型初始假定整體溫度為20℃，進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)下的受力仿真計(jì)算時(shí)，將模型整體溫度升高至574℃，并在模型內(nèi)表面施加介質(zhì)內(nèi)壓25.4MPa。
      仿真計(jì)算得到運(yùn)行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力如圖3所示，由圖可知大應(yīng)力位于焊縫內(nèi)表面，與實(shí)際斷裂位置一致，大Mises應(yīng)力達(dá)到257.7MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)P91材料對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力82MPa[6]。實(shí)際上P91材料的常溫屈服強(qiáng)度小440MPa、拉伸強(qiáng)度在585-850MPa之間，高溫576℃條件下的屈服強(qiáng)度約250MPa、拉伸強(qiáng)度約300MPa左右，因而在運(yùn)行狀態(tài)下，斷裂焊口處的實(shí)際應(yīng)力水平已經(jīng)處于材料屈服極限，從而導(dǎo)致疏水閥在運(yùn)行很短時(shí)間內(nèi)（10天）就發(fā)生斷裂故障，進(jìn)一步確認(rèn)了故障原因?yàn)楹附訌?qiáng)度不足。