主蒸汽母管截止阀开裂原因分析及预防措施_李成超.pdf

0 引言近年来，火电联产锅炉以及企业自备电站锅炉蒸汽管道发生多起安全事故，对国家和社会造成了较大的经济损失和社会影响。主蒸汽管道阀门是保障电站锅炉安全运行的重要的受压元件，按照关于开展电站锅炉范围内管道隐患排查整治的通知（泰安市监特函 515 号文）的相关要求，对主蒸汽母管进行隐患排查时发现，电站锅炉主蒸汽管道某截止阀存在较为严重的裂纹、缩孔、疏松等缺陷，具有严重的安全隐患，因此分析阀门开裂的原因对保障电站锅炉的安全运行具有重要的意义1。2019 年 9 月，对某火电厂电站锅炉主蒸汽母管隐患排查时，通过宏观检查发现主蒸汽母管东侧末端截止阀阀体法兰面开裂，裂纹长度约为 190 mm。进一步通过渗透检测、硬度检测、金相检验等技术对整个阀体进行了详细的检测，对阀体开裂的原因进行了分析，并在铸造过程、安装过程、使用过程和法定检验等方面提出了几点预防措施。1 检验检测过程TSG 112020锅炉安全技术规程中规定：阀门阀体外表面进行宏观检验，检查阀门是否有明显腐摘 要 对主蒸汽母管排查隐患时，发现主蒸汽母管某截止阀阀体法兰面开裂，因此进一步通过渗透检测、硬度检测、金相检验等技术对阀体进行检验检测。详细介绍了阀门开裂的检验检测过程并分析阀体开裂的主要原因和预防措施。关键词 主蒸汽母管 阀门 金相检验 原因分析 预防措施中图分类号 TQ 055.8 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.04.009Cause Analysis and Preventive Measures for Cracking of Main Steam Header Globe ValveLI Chengchao ZHANG Yong LI QiangAbstract:During the troubleshooting of the main steam main pipe,it was found that the flange surface of the main steam main pipe globe valve body was cracked,and the valve body was further inspected and tested through penetrant testing,hardness testing,metallographic testing,and other techniques.The inspection and detection process of valve cracking was introduced in detail,and the main causes and preventive measures of valve cracking were analyzed.Key words:Main steam header;Valve;Metallographic examination;Cause analysis;Preventive measure李成超*张 勇 李 强（泰安市特种设备检验研究院）主蒸汽母管截止阀开裂原因分析及预防措施*李成超，男，1987年生，研究生，工程师，检验师。泰安市，271000失效分析化工装备技术34第 44 卷第 2 期 2023 年 4 月2023 年 4 月35蚀、裂纹、泄漏和铸造缺陷，必要时进行表面无损检测；必要时，抽查阀体内表面，是否有明显的腐蚀、冲刷、裂纹和铸造缺陷，密封面是否有损伤；对工作温度大于或等于 450 的阀门阀体进行超 5 万 h 的硬度和金相检测抽查，抽查数量应各不少于 1 点。1.1 宏观检验阀门面积比较大，宜以宏观检验为主，再对重点部位进行无损检测。对主蒸汽母管截止阀进行整体宏观检验时发现，东侧末端截止阀阀体法兰面开裂，长约 190 mm。由于裂纹端部形成的缺口较为尖锐，应力非常集中，导致裂纹延伸，开口进一步扩大。在对阀体法兰里侧法兰孔边缘位置经宏观检验发现 1 处缩孔，如图 1 所示，该缩孔位于法兰孔边缘两侧，长约 50 mm。缩孔会减小阀门有效承载面积，造成阀门结构不连续，引起应力集中，从而降低阀门的抗冲击性、抗疲劳性和致密性。图 1 法兰孔边缘缩孔对阀体内表面进行宏观检验时发现，阀体内侧存在多处明显的疏松现象，如图 2 所示。疏松一般出现在阀门最后凝固的部位或结构突变部位，疏松形状不规则、较粗糙并伴有杂质和细小的气孔2。图 2 阀体内表面疏松现象1.2 渗透检测渗透检测主要应用于表面开口缺陷的检测，在承压类特种设备检验检测中应用广泛。由于阀门结构复杂，对法兰盘内测及法兰面进行 100%渗透检测，结果如图 3 所示，发现该裂纹为开口缺陷，有一定深度，端部有延伸。图 3 对缺陷位置进行渗透检测1.3 磁粉检测磁粉检测主要用于铁磁性材料的表面及近表面尺寸较小、间隙极窄的缺陷检测，可检测微米级的裂纹，在常规无损检测方法中，对表面裂纹检测灵敏度最高的就是磁粉检测。对阀体进行 100%磁粉检测，阀体表面未发现相关显示。阀体、阀盖所有外表面和可触及的内表面均采用磁粉检测进行表面缺陷检测。1.4 金相检验火电厂用金属阀门需在高温条件下长期使用，阀门材料会随着时间延长逐渐劣化，金相检验主要是观察、鉴别和分析金属、合金内部的组织结构，金相组织反应金属金相的具体形态。主蒸汽母管截止阀运行温度为 450，累计运行时间为 11 230 h，对主蒸汽母管截止阀法兰面缺陷位置进行金相检验，参照 DL/T 6741999火电厂用20 号钢珠光体球化评级标准以及 DL/T 7862001 碳钢石墨化检验及评级标准，组织中有明显的铁素体及珠光体，铁素体晶界附近未发现碳化物，晶内也未发现碳化物颗粒，因此评级为 1 级，未珠光体球化，其金相组织可见图 4。李成超，等：主蒸汽母管截止阀开裂原因分析及预防措施第 44 卷第 2 期化工装备技术36图 4 法兰面面金相组织图（500倍）1.5 硬度检测硬度检测是检测材料性能的重要指标，也是最为快速的检测方法，对主蒸汽母管截止阀法兰面进行硬度检测，每处测 5 点取平均值，硬度值可见表 1，平均值为 121 HB，硬度值在合理范围内。表 1 硬度测量值检测位置测点序号实测值/HB平均值/HB法兰面112112121223121412051212 原因分析该主蒸汽母管截止阀型号为 WCB 型，材质是铸造碳素钢，质量约为 900 kg。通过宏观检验和表面探伤发现，该阀体存在裂纹、缩孔、疏松等缺陷，由金相检验、硬度检测等技术检验后未发现组织劣化、硬度超标等缺陷3。对裂纹、缩孔、疏松缺陷产生的原因进行了分析，得到以下结论。2.1 铸造工艺该阀体铸造质量较差，存在较多铸造缺陷。说明阀体铸造过程中，工艺控制差。由于铸钢的熔点高，阀体在冷却凝固过程中，流行性差、收缩率高导致金属液体积收缩，未得到有效的补充造成较严重的缩孔和疏松缺陷，降低了壳体法兰面强度，带缺陷的阀门投入运行后，在应力的作用下，加快裂纹的扩展。2.2 铸造应力由于阀门的体型较大，形状和结构复杂，在冷凝过程中由于各部分金属冷却速度不同，导致各部分的收缩不一致，加上模具和模具芯的阻碍作用，使阀门的固态收缩受到制约产生铸造应力，较大的应力会加速阀体开裂4。阀门铸造完成需要进行热处理，热处理工艺对铸造质量具有决定性的影响，由于阀门自身特点，仍不可避免存在残余内应力，随着运行时间积累，局部应力过大时阀门就会产生裂纹5。2.3 组合应力该阀门安装时，法兰面承受螺母的压力，特别是在螺母紧固不均匀时，法兰面受力亦不匀。在阀门运行时，在内部介质的压力下，法兰面承受拉应力，在内压作用下，局部缺陷位置会出现应力集中情况，且阀门在长期运行在高温环境下，承受热应力作用，当超过材料抗拉强度时，在局部位置出现开裂，而在热应力、疲劳载荷等交变应力作用下逐渐扩展，随着裂纹扩展，裂纹向两侧延伸，造成阀体开裂现象6。3 预防措施3.1 铸造过程阀门铸造过程中严格执行质量控制、检验制度，通过降低浇注温度、减少铸件的收缩量；提高增压压力，提高产品致密性；改善浇注系统，充分传递压力，凝固补缩；加强对产品特殊部位的冷却等措施来预防缩孔和疏松缺陷。阀门铸造完成后进行适当的热处理工艺，可有效降低铸造后残余应力。3.2 安装过程连接 2 个法兰面时，使法兰密封面与垫片均匀压紧，以保证螺栓应力相同；在紧固螺栓时，避免超过规定的力矩；法兰紧固过程中要避免用力不均，应按照对称、交叉的方式按顺序紧固，使法兰面受力均匀。3.3 使用过程在火电厂复杂的蒸汽管道系统中，常有许多阀门，要在电站锅炉生产运行中，保证管阀门的安全可靠，检修人员必须加强在线检查及停机维护，使用单位对阀门保温层可定制拆卸方便耐高温的保温套，加大阀门的检查频次。3.4 法定检验在电站锅炉法定内部检验时，检验机构应制定专项的检验检测方案并对主蒸汽阀门进行抽查，选用合理的检验检测方法，对阀门表面、近表面及内部缺陷进行检验检测，及时发现并消除缺陷，并对高温高压用阀体的材质进行金相分析，防止阀门材质劣化。2023 年 4 月374 结语火电厂主蒸汽管道用阀门阀体因铸造工艺不易控制，易产生铸造缺陷，且阀体脆性大，阀体运行时承受内部介质压力，高温运行时常保温等特点，表面裂纹的检验检测很有必要，因此加强阀门检验检测，采用合理的检验检测方案及时发现并消除缺陷对保障电站锅炉的安全运行具有重要的意义。参考文献1 施侠.蒸汽阀门爆裂的原因分析及对策J.电力安全技术,2007(7):44-45.2 陈飞,曹海平.阀门外观常见缺陷与评定J.石油工业技术监督,2015(8):11-13.3 马寅山,夏舞艳.火力发电厂在役铸钢阀门裂纹检测J.自动化与信息工程,2013(4):45-48.4 王晨.660MW机组高压铸造阀门壳体裂纹原因分析及处理J.河北电力技术,2015(2):52-54.5 祁金惠.汽轮机缸体及阀门表面裂纹的检测J.河北电力技术,1999(2):53-54.6 成鹏,于程炜.超临界机组高压主蒸汽阀门失效分析与预防J.焊接技术,2013(1):54-57.（收稿日期：2021-11-10）管整流器分成多个小型整流器模块还有另一个好处：可以控制小型阳极组甚至单个阳极，因而可在电泳涂装过程中进行更精准的电压调节，并可优化电压分布，从而可针对更多车型进行灵活设计。杜尔通过碳化硅（SiC）制成的新式半导体取代了传统IGBT 模块（绝缘栅双极晶体管），将 EcoDC MACS 的效率提高到 96%。这可产生更高的电能转化，并通过降低废热排放和冷却空气要求实现节能。对每小时喷涂 58 台车身的涂装车间进行数据采样，结果表明，由于碳化硅（SiC）半导体的运行效率较高，有效功率差约为 45 kW。假设每年运行 230 个工作日，每天运行 20 h，电价按 0.21 欧元/（kWh）计，EcoDC MACS 每年可降低能源成本至少超过 4.3万欧元。此外，还可通过提高网络质量和降低无功功率来节约成本。杜尔推出用于阴极电泳涂装的EcoDC MACS新型整流器3 月 1 日，杜尔推出用于阴极电泳涂装的 EcoDC MACS 新型整流器，在占用空间不变的同时，可提高 50%的功率。从而能更为灵活地设计新工厂布局，并轻松提高现有工厂产能。得益于效率的提高，该新整流器还可节能并降低运营和投资成本。到目前为止，当使用传统的晶闸管整流器时，阴极电泳的浸渍步骤只能分成几个区域进行。若一个整流器发生故障，则很大一部分涂层电流缺失，导致涂层瑕疵和车身损坏。EcoDC MACS 则不存在这种风险，因为杜尔将以前的大型晶闸管整流器拆分为许多小型整流器模块，每个模块仅向浸涂槽的一小部分提供电压。一个小型整流器模块故障不会再对涂层质量产生负面影响。此外，相比之下小型整流器模块的成本仅是原来的一小部分，更换费用因此大大降低。EcoDC MACS 将传统晶闸EcoDC MACS 还采用了另一项创新技术：采用主动式前端（AFE）技术实现了线性电流消耗，平衡了可能导致设备关闭和停工的谐波电流。因主动式前端（AFE）的功率因数提高到接近于 1，用户无须再另外配备补偿系统，从而降低了投资成本。此外，有源谐波补偿技术还确保符合供电电压质量标准。杜 尔 摒 弃 了 原 来 的 特 殊环形总线系统，采用常用的Profinet 或 Ethernet IP 接口进行数据传输，优化了从整流器模块到控制单元的数据传输，从而简化了故障排查，并提高了设备的可靠性。功能强大的总线系统也是附带诊断功能的工业 4.0 解决方案的重要先决条件。新型碳化硅整流器模块适用于未来需要更高涂装电流或 电 压 的 新 型 涂 料。EcoDC MACS 的额定直流电流最高可达 450 V，每个整流器模式的额定电流最高可达 120 A。李成超，等：主蒸汽母管截止阀开裂原因分析及预防措施