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汽轮机抗燃油管开裂原因分析.pdf

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资源描述

1、电力安全技术32第25卷(2023年第6期)汽轮机抗燃油管开裂原因分析李 根1,张乃昕2,苏晓阳1,刘昕颖1(1.华电电力科学研究院有限公司,浙江 杭州 310000;2.山东省特种设备检验研究院集团有限公司,山东 济南 250000)Analysis of Steam Turbine Fuel-resistant Oil Pipe CrackingLI Gen1,ZHANG Naixin2,SU Xiaoyang1,LIU Xinying1(1.Huadian Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Hangzhou 310000;2.Shand

2、ong Special Equipment Inspection and Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250000)摘 要 针对一起汽轮机抗燃油管焊缝处开裂泄漏事件,采用宏观检验、金相检验、化学成分分析、扫描电镜微观形貌分析等方法进行分析,查明开裂为焊缝质量差、承插焊接强度不足以及长时间振动的综合因素所导致,并提出相应措施以避免类似事件再次发生。关键词 汽轮机;抗燃油;管道;焊缝;疲劳开裂Abstract:In view of a leakage event due to the weld cracking of a steam turbine fuel

3、-resistant oil pipe,analyses are carried out by macroscopic inspection,metallography inspection,chemical composition analysis,scanning electron microscope micromorphology analysis and other methods,and it is found that the cracking is caused by the comprehensive factors concerning poor quality of th

4、e weld,insufficient interpolation welding strength and prolong vibration,and the corresponding measures are put forward to avoid the recurrence of similar events.Key words:steam turbine;fuel-resistant oil pipe;weld;fatigue cracking中图分类号:TM726 文献标识码:A 文章编号:1008-6226(2023)06-0032-030引言汽轮机抗燃油系统(EH 油系统)

5、由供油系统、执行机构设备和危急遮断系统等构成,主要为汽轮机各进汽阀门的启、闭提供动力,其可靠性直接关系到机组的正常运行1,2。正常运行时,抗燃油管线内的油压很高,如果管道发生开裂,抗燃油将会从泄漏处快速喷出,导致油箱液位急剧下降,油压低保护动作,甚至会造成汽轮机跳闸、机组非计划性停运事件,给企业带来巨大的经济损失。抗燃油管道管径小(一般为1432),管壁薄(厚度约为 24 mm),工作压力高(一般为14 MPa,最高达 16 MPa),管线长且布置复杂,容易受油压波动而产生频繁振动,使得抗燃油管在长时间运行后极易在焊缝处发生开裂3。由于电力行业标准 DL/T 4382016火力发电厂金属技术监

6、督规程等一直未将汽轮机抗燃油管道纳入金属监督范围,使得电厂金属专责人员对抗燃油管道重视不足,导致近年因抗燃油管道开裂而导致的非计划性停运频繁发生4,5。防止抗燃油系统管道泄漏,避免非计划性停运事件的发生已是当前火力发电厂金属监督工作中极其重要的内容。1事件概况某电厂 300 MW 亚临界燃煤机组于 2002 年投 产,抗 燃 油 系 统 管 道 采 用 07Cr19Ni11Ti 材质,规 格 有323.0 mm,142.0 mm,252.5 mm 三种,均采用承插焊连接。在机组运行过程中,抗燃油 A 油泵出口管道(规格33第25卷(2023年第6期)电力安全技术252.5 mm)与出口滤网前活

7、节连接管(规格323.0 mm)焊缝处发生开裂,检修人员对此开展检查与分析。2检验结果与分析2.1宏观检验抗燃油管在焊缝熔合线处发生开裂,裂纹肉眼可见,长度约为管道周长的 1/3。A 油泵出口管道与出口滤网前活节连接管焊缝形式为承插焊,单道焊接成形。焊缝表面存在咬边、凹坑、未焊满等缺陷。将抗燃油管沿开裂处完全掰开,观察开裂处截面。整个截面可分为两个区域:初始开裂区,断口较为平整,呈纤维状;其他区为掰开时发生断裂的区域。整体观察可见断口表面较为光泽,未见明显塑性变形和氧化腐蚀情况。2.2扫描电子显微镜检测采用扫描电子显微镜对初始开裂区观察:裂纹起源于焊缝外表面,并从外表面呈人字纹状沿壁厚方向由外

8、向内扩展;裂纹扩展区具有与裂纹扩展方向相垂直的大量平行条带,即疲劳辉纹,是疲劳断口最典型的微观特征6-8。由此推知该抗燃油管开裂形式为疲劳开裂。2.3金相检验将抗燃油管垂直于断口的截面进行切割取样,经打磨、抛光、腐蚀后,放入金相显微镜下观察:抗燃油管显微组织为奥氏体组织,未见晶间腐蚀等异常情况;靠近焊缝熔合线附近晶粒较为粗大,晶粒呈树枝状垂直于熔合线长大。由此推知该焊缝在施焊时焊接工艺控制不佳,焊接线能量过大,导致焊缝熔合线附近晶粒过于粗大。焊缝沿近熔合线部位发生开裂,也是油泵出口管道和活节连接管之间结构的变截面位置。2.4化学成分分析采用直读式光谱分析仪对开裂的抗燃油管进行化学成分分析,结果

9、如表 1 所示。断裂管段及焊缝材质均满足 GB/T 149762012流体输送用不锈钢无缝钢管中 07Cr19Ni11Ti 不锈钢成分的要求。2.5焊缝结构承插焊焊缝结构形式与角焊缝类似(见图 1),与对接焊缝相比其力学性能较差。同时,由于活节连接管与油泵出口管道规格不同,在焊缝处发生截面尺寸变化,存在应力集中现象。在管道异常振动时,变截面处存在垂直于轴向方向的剪切应力,在此应力长时间的作用下,易在焊缝最薄弱区(即热影响区)附近发生开裂。图 1承插焊焊口焊接要求3原因分析与结论通过上述分析可知,开裂的抗燃油管焊缝表面存在咬边、凹坑、未焊满等缺陷,焊缝熔合线区晶粒较为粗大,说明该焊缝在焊接过程中

10、焊接工艺控制不佳,焊接电流过大,使得焊缝成型不良,内部存在大量的残余应力。对断口形貌分析可知,疲劳裂纹起源于焊缝外表面的热影响区附近,随后扩展到抗燃油管母材,导致发生开裂。由于承插焊不开坡口,焊缝成型为角焊缝形式,与对接焊缝相比焊缝强度较低;活节连接管与油泵出口管道规格不同,在焊缝处发生截面尺寸变化,使得焊缝边缘存在局部应力集中现象;同时,查阅汽轮机抗燃油管系巡检记录得知 A 油泵机存在长时间的异常震动现象,由于焊缝靠近 A油泵机,受其影响,该焊缝在长时间的交变应力作用下最终发生疲劳开裂。表 1抗燃油管化学成分(质量分数/%)合金元素CSiMnCrNiPSTi出口管段0.0610.490.88

11、19.2310.980.0150.0100.47焊缝0.0580.430.8518.5611.540.0140.0080.40活结段0.0670.570.9319.1511.870.0170.0110.42标准范围0.040.10 0.75 2.0017.0020.009.0013.00 0.030 0.0304 倍碳含量0.60此边完全不熔管件管道约 1.5 mm直径公差最大 1.0 mm最小 1.25 T最小为T管道壁厚T第25卷(2023年第6期)电力安全技术344调研与建议针对抗燃油管焊缝开裂,该发电集团对下属电厂进行排查,统计各厂历次泄漏原因,具体如下。(1)管材质量缺陷。主要有原始

12、加工制造缺陷,如内、外壁划伤;弯管未进行固溶处理,存在组织异常;硬度高于标准要求等。(2)焊接质量缺陷。主要有焊接错用焊材;焊缝质量差,如焊缝存在形状缺陷、裂纹、气孔、未焊透、组织过热等。(3)应力。主要有管道异常振动焊缝承受交变应力;管系布置不合理,焊口位于弯管起点处,存在较大应力等。(4)腐蚀。主要有管道支架固定工艺不良,不锈钢管道和普通碳钢支架接触造成碳元素析出,导致管道腐蚀;管系布置不合理,与热源安全距离不足,导致抗燃油管温度过高,管道内抗燃油品质下降,弯管处发生腐蚀结垢。结合事件分析以及调研情况,建议如下。(1)加强对抗燃油管的监督和检测,全面梳理机组抗燃油系统技术资料,健全设备台账

13、,并进行动态管理。设备台账应包括管道的材质和规格、焊口和弯头的数量及位置等,必要时还应有管线图;确认是否存在管道布置不合理、与热源安全距离不足等设计缺陷;定期对抗燃油管焊缝及弯头进行无损检测,发现缺陷及时处理;检测时,可选用射线探伤与渗透探伤相结合的方式,提高缺陷检出率。(2)加强抗燃油管的焊接监督。焊接前应对施焊人员进行技术资格审查,对焊接工艺进行审核,并对焊接过程进行技术监督,严格控制焊接质量;将抗燃油管连接形式由承插焊更换为对接焊;若仍采用承插焊,应采用多层、多道、小电流的焊接方式,确保焊缝成形良好,减少应力集中现象。(3)加强抗燃油管系的振动监测与治理,并开展日常巡查,及时检查油动机和

14、伺服阀的运行状况,避免管系在较大振动工况下长期运行。若油动机等设备存在运行异常的情况,应及时分析并消除设备隐患。5结束语某 300 MW 亚临界燃煤机组在运行过程中发生汽轮机抗燃油管焊缝处开裂泄漏事件,通过宏观检验、金相检验、化学成分分析、扫描电镜微观形貌分析等方法对开裂焊缝进行分析,查找出由于焊接过程中工艺控制不当造成焊缝质量较差;采用承插焊接形式的焊缝本身强度不足,在油泵机长时间的异常振动下导致焊缝发生疲劳开裂。针对上述事件,该发电集团对区域内机组进行排查总结,并提出加强对抗燃油管的监督和检测、抗燃油管的焊接监督以及对抗燃油管系进行振动治理等一系列措施,相关经验可供机组抗燃油管系运维借鉴。

15、参考文献:1 王甲安,王兴合,张瑞臣,等火电机组 EH 油管道泄 漏典型案例分析及防范措施 J发电技术,2018,39(4):382-385.2 贺洪林660 MW 超超临界机组 EH 油泄漏的应急处理 J山东工业技术,2014(19):54.3 孙国强汽轮机高压抗燃油管断裂原因分析及预防措施 J华电技术,2018,40(12):27-29,32,78.4 方国权某机组 EH 油管道振动大泄漏成因分析 J电 站系统工程,2022,38(3):61-62.5 罗文超,曾 阳,蒋成虎EH 油管渗油泄漏浅析 J 河南电力,2022(S1):132-133.6 刘卫东,张 俊1Cr18Ni9Ti 卡箍

16、的断裂分析 J热 加工工艺,2021(8):160-162.7 何 军,王浩宇,王东晔,等1Cr18Ni9Ti 不锈钢管 焊接接头断裂原因分析 J理化检验(物理分册),2019,55(7):483-486.8 姜锡山,赵 晗钢铁显微断口速查手册 M北京:机 械工业出版社,2010.收稿日期:2022-12-10。作者简介:李 根(1989),男,工程师,主要从事电站金属材料失效分析工作,email:gen-。张乃昕(1990),女,工程师,主要从事特种设备失效分析相关工作。苏晓阳(1990),男,工程师,主要从事电站金属材料无损检测及失效分析工作。刘昕颖(1989),男,工程师,主要从事电站金属材料失效分析工作。

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