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多汽源高温差分汽缸泄漏原因分析
摘 要:从某厂一分汽缸破裂泄漏情况入手,对裂纹原因进行分析研究,其原因由于两个汽源温差太大,受到压力波动影响,内部介质剧烈运动,筒体内部材料受到很大的温度应力,为典型的热疲劳破坏。
关键词:热疲劳 分汽缸 高温差 疲劳裂纹 事故分析
1 概述
    某厂一分汽缸,安装在厂区向住户供暖,设计压力1.76MPa,工作压力0.63~0.66 MPa,设计温度300℃,实际工作温度190℃左右。直径1.4m,长7.87m,筒体壁厚12.0mm,封头14.0mm,所用主体材料为16MnR,具体结构见图1。
该设备使用不到半年,开始出现漏气现象,制造厂重新安装一台同规格设备,也在不到半年时间里出现漏气现象,通过对该设备的整体检查和磁粉探伤发现,内部有大量的裂纹,有的在母材上,有的在焊缝上,接管上也有较大裂纹出现。问题出现以后,设计单位对强度进行复核计算,强度完全满足使用要求,并有较大的安全余量。制造厂对使用材料,施焊过程进行全面核查,均未发现任何问题。对水质进行化验分析,结果水质也是合格的。两台锅炉及两台锅炉所属分汽缸均使用多年,未发现任何问题,也证明水质是没有任何问题的。
2 裂纹原因分析
2.1分汽缸操作工艺和锅炉的运行情况
    通过审查总图,2号管为高温蒸汽入口管,是由热电厂提供的过热蒸汽,蒸汽温度在260℃左右,蒸汽压力0.64~0.75MPa,管径426mm,流量约36~45t/h,流速约36m/s,3号管和4号管为低温饱和蒸汽入口管,是一般工业锅炉提供的蒸汽,温度在160℃左右,蒸汽压力0.63~0.71 MPa,管径325mm,流量约35~42t/h,流速约50m/s。
2.2裂纹性质分析
    对分汽缸内部裂纹的分布情况进行分析后发现,虽然分气缸的大部分都有裂纹存在,但并不是均匀的分布在容器内表面,而是大部分裂纹集中在2号和3号管之间。也就是说大部分裂纹集中在高低温蒸汽入口附近。焊缝和母材上都有,裂纹的形状见图2、3、4、5。虽说大部分裂纹呈线形,但是圆型和半圆形也较多,线形裂纹也多呈发散型和密集型。根据裂纹特征,可以判断出不是由于强度不足引起的破坏,当然也可以排除制造缺陷的可能,可以肯定的说是使用过程出现的疲劳裂纹。为什么会出现疲劳裂纹呢,假设是由于管道震动引起,那也就可以解释为两进汽管线震动最厉害,两接管附近内外表面都应该出现多处疲劳裂纹,然而现实并不是这样,两个进汽管线都近一公分长,有多个弯管,柔性很好,实际使用过程中也未发现异常震动,探伤发现,裂纹都在内部。所以可以排除由管道震动引起的疲劳裂纹,疲劳裂纹的形成就要有交变应力,外部未向设备施加交变应力,那交变应力的来源只有内部。内部的交变应力,有两种可能,内压的变化和内部介质温度变化引起的温度应力。由于分气缸缸体压力比较稳定,不可能对容器造成破坏;那就只有一种可能,裂纹是由于温度应力引起的热疲劳裂纹。
2.3温度应力的形成和计算
当高温管和低温管同时向设备供汽时,两管道的压力不可能稳定不变,只要有一管道压力发生变化,在进汽管附近的冷热气团在分汽缸内的分布情况就会发生变化。本来和冷气团接触的筒体表面(壁温约160℃)就有可能迅速接触热气团(蒸汽温度260℃),水的热容和汽化热都很大,很容易让筒体表面迅速升温,由于温度的升高,筒体内表面钢材就有膨胀趋势,由于受到周围板材的限制,无法膨胀,就转化为很大的内应力,这个应力就是温度应力。据此分析,有温度应力形成的条件。根据温度应力运算公式,温度应力σt的大小为σt=αEΔT α为材料的膨胀系数 E为弹性模量 ΔT为温度差 对低碳钢α=2.2×10-6 E=200GPa ΔT=100℃ 代入得σt=244MPa  蒸汽从管道进入分汽缸以后,压力降低,体积膨胀,温度也会降低,再考虑热传递的影响,温
度差很难达到100℃,以上计算只是温度应力可能出现的最大值。
2.4 应力比的计算
正常工作情况下,分汽缸筒体材料所承受的周向应力(拉应力)σ=P(D i+δe )/2×δe =37.82 MPa  温度应力σt=244 MPa 当高温管的压力升高或者是低温管的压力降低的时候,在原先低温气团控制区域就会有一部分被高温气团取代,表面迅速升温,产生温度应力,由拉伸变成压缩,应力值为:σ=244-37.82=206.18 MPa 受力情况是交变应力。应力比 r=-5.452 当低温管压力升高,或者是高温管压力降低的情况,在原先由高温气团控制的区域就有可能被低温气团所取代,温度较高的内表面就会给低温气体加热,温度降低,筒体内部材料出现收缩趋势,但是由于周围材料的牵引,无法正常收缩,温度应力随之出现,材料受拉伸,体现为拉应力。应力值为:σ=244+37.82=281.82MPa 受力情况为脉动应力,应力比 r=0.134 交变应力的疲劳寿命要小于脉动应力的疲劳寿命。裂纹的分布情况也证明了这一点,大部分母材裂纹分布在低温管附近。高温管附近要少的
多,裂纹长度和深度都没有低温管附近严重。
2.5温度应力出现的频率
工作条件下蒸汽密度约为3.0克/升。冷热入口中心距离L为0.8米,两个接管间的压强梯度为P1-P2/L,在空间内任取一点ΔV进行研究,两端面压强差ΔP=(P1-P2)ΔL/L,压力差ΔF =ΔP ΔS,Δm=ρΔSΔL,根据上述数据由加速度计算公式可以计算得到该质点的加速度。a=F/m=(P1-P2)/ρL 统一单位,对上式在时间上积分得该质点的运动速度V=(P1-P2)t /ρL+V0假设两个入口管之间存在0.01 MPa压强差,带入上式得a=10000/(3.0×0.8)=4166.7m/s2假设该压强差维持百分之一秒,初速度V0=50 m/s,加速度方向和速度方向交角为90°,那么质点的速度为,V= a t + V0=(41.672+502-2×44.01×50cosθ)-2=65.1 m/s(θ为加速度方向和速度方向的夹角)在这百分之一秒内,质点运动的距离S 约等于0.54m,根据以上数据可以看出,内部介质可以在很短的时间内达到相当大的速度,并能移动相当长的距离。所以内部气团将会跟随气源压力的每一次波动而迅速改变位置,气团位置的改变就会有温度应力的出现。那么交变应力出现的频率基本上和两个汽源压力变动的频率一样,由于两个供汽管道的压力不停的变化,压力变化的周期很小,那么交变应力出现的周期也就会很小。交变应力如此之大,交变周期如此之小,循环特征如此复(-5.452<r<1),此台分汽缸只有几个月的寿命就不足为奇了。
3 裂纹出现原因和扩展情况
在交变应力作用下,根据疲劳失效理论,金属中位置不利或者较软弱的晶体,就会沿最大剪应力作用面形成滑移带,滑移带开裂形成微观裂纹,分散的微观裂纹通过集结沟通,将形成宏观裂纹。宏观裂纹在交变应力下逐步扩展,直到开
裂,漏气,造成设备的完全损坏。
4 离分气缸两入口管较远处裂纹出现的原因
从分气缸离高低温管较远的几处缺陷位置看,一个在T 型接头附近,一个在纵焊缝上,一个在承受最大弯矩的部位(筒体的最下部,两个鞍座中心附近)。他们的出现也不难解释,以上都是应力比较集中的部位,是容易出现缺陷的地方,二来由于气体运动很快,温度很难迅速平衡,由于低压区(蒸汽出口附近)的存在,容易形成高低蒸汽都有的气体漩涡,这些漩涡会在整个分气缸的高压区(蒸汽入口附近)向低压区移动,所以在蒸汽出口的下面出现缺陷也就不难理解了。他们也是由于受到温度应力的影响出现的。
5 解决办法
    鉴于这种现象,最好避开两个汽源共用一个分汽缸,如果确实需要,两个汽源也应该离远放置,同时设置内件,防止高低温蒸汽频繁移动的现象,尽量让蒸汽在容器的中心部位进行温度平衡,尽量让压力平稳等等。如果温度应力低于疲
劳极限,上述应力就可以不考虑,即:σt <σ-1带入得ΔT<σ-1 /2.5 如果温度差低于上述值的话,就不用考虑温度应力的影响。