主蒸汽管道裂纹产生原因分析及处理对策

主蒸汽管道裂纹产生原因分析及处理对策 周文 (中国石化仪征化纤热电生产中心，江苏仪征211900) 摘要：针对高压锅炉主蒸汽管道支吊架下方母材存在裂纹的问题进行深入研究，找出裂纹产生的 原因，并提出改变支吊架管部结构的处理 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 ，实践证明，采用这种处理工艺，可以保证主蒸汽管道 的安全运行。 关键词：主蒸汽管道；支吊架；裂纹；处理工艺 中图分类号：TQ055．8；TQ050．7文献标识码：B 文章编号：1001-4837(2010)08—0047-04 doi：10．3969／j．issn．1001—4JB37．2010．08．009 CauseAnalysisandTreatmentMeasuresofMainSteamPipesCracks ZHoUWen (ThermoelectricProductionCentersofSinopeeYizhengChemicalFibre，Yizheng211900，China) Abstract：Thecracksinbasemetalundersupportsandhangerofthemainsteampipesofhigh—pressure boilerwasstudied．Thereasonofgeneratingcrackswasfound，atthesametimethetreatmenttransfor- mingtherootstructuresofsupportsandhangerwasproposed．Practiceshowsthatadoptedtreatmentcould ensurethesafetyofthemainsteampipesrunning． Keywords：mainsteampipe；supportsandhanger；cracks；treatmentmeasures 2005年，某公司的压力管道全面检验工作 中，发现5。炉主蒸汽管道4’支吊架下方的覆板上 存在长度75am的裂纹(见图1)，然后对覆板与 主蒸汽管道之间的角焊缝外观进行检查，覆板尺 寸400mm×240am×18mm，焊脚尺寸在7一lO mm之间，焊脚尺寸差大于2mm，焊趾线上断续 存在总长度380mm、深度1—2mm的咬边，外观 检查表明焊接质量不符合DIVT869--2004(火力 发电厂焊接技术规程》的要求。随后对裂纹部位 进行了局部打磨，准备进行焊补。局部打磨过程 中发现裂纹已延伸到母材，并且长度方向也有明 显的扩展，遂对整个覆板进行拆除处理。拆除后 发现覆板四周与母材的结合部位均断续存在长度 与深度不等的裂纹，裂纹最长约250nlm，最深达 7mm。根据《压力管道 安全管理 企业安全管理考核细则加油站安全管理机构环境和安全管理程序安全管理考核细则外来器械及植入物管理 与监察规定》的 规定，管道未经修复将不能投入使用。为保证管 道安全运行，对裂纹产生的原因进行分析，并提出 了处理对策。 图1 5。炉主蒸汽管道4。支吊架上的裂纹 ·47· 万方数据 CPVll 主蒸汽管道裂纹产生原因分析及处理对策 Vol27．N0820lO 1现场调查 1．1 资料检查 5。炉型号为HG220／100—10，主蒸汽管道材 质10CrM0910，规格陇73mm×28mm，覆板材质 12CrlMoV，厚度12mm， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 压力9．81MPa，设计 温度540℃。、设计资料及施工验收资料基本齐 全，但缺少管道覆板的热处理记录、外观检查记录 及无损 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 记录。 1．2运行记录检查 5。炉于1989年7月正式投运，全面检验时累 计运行12．6万h，对其多年的运行记录进行检 查，发现集汽联箱出口(蒸汽入口)运行参数为压 力9．2～9．6MPa，温度530～539oC，而二期主蒸 汽母管(蒸汽出口)运行参数为压力9．0—9．4 MPa，温度520～533oC，未发现超温超压记录。 2原材料及焊缝取样试验 2．1 化学成分 对管道、覆板及角焊缝的化学成分进行了分 析，结果见表1。管道、覆板的材质分别符合DIN 17175《耐热钢无缝钢管》中10CrM0910及GB 5310(高压锅炉用无缝钢管》中12CrlNoV钢的要 求，另外可以判断出焊接材料为R317 (E551582V)焊条，符合DL／T869--2004(火力发 电厂焊接技术规程》的规定，焊条的化学成分符 合GB5118(低合金钢焊条》的要求。 2．2拉伸性能试验 裹1化学成分 ％ 元素 C M11 Si S P Cr IVlO V 管道 0．10 0．46 0．22 0．013 O．009 2．42 1．05 覆板 O．12 O．50 O．” O．011 O．008 1．16 O．98 O．29 焊缝 O．08 0．76 0．48 0．009 O．009 1．20 0．89 O．23 DIN17175 O．08～O．150．40～0．70≤0．50 ≤0．035 ≤0．0352．00一2．500．90一1．20 10CrM0910 GB5310 0．08～0．150．40—0．70O．17～O．37≤0．035 ≤0．0350．90～1．200．25～1．35O．15～O．30 12CrlMoV GB5118 O．05～0．120．90 O．60 ≤0．035 ≤0．0351．00—1．500．40一1．650．10～O．35 E551582V 按照GB／T228--2002(金属拉伸试验方法》 对管道和覆板进行了常温拉伸试验，拉伸试验在 INSTRON一8032万能电液伺服试验机上进行，试 验结果见表2。可以看出旧材料的尺吐及尺。均明 显低于新材料，而A比新材料的高。说明经过长 期高温运行后，材料损伤很明显。表2中同时列 出了DIN17175中对10CrM0910常温力学性能的 规定值及GB5310中对12CrlMoV常温力学性能 的规定值。经过比较发现，即使经过12万h的长 期服役，材料的强度值仍然高于新材料交货条件 规定值，但较接近下限。因此主蒸汽管道在服役 12万h后，虽然强度指标有所下降，但仍符合标 准规定值。塑性指标有所增加，其常规力学性能 仍符合要求。 2．3硬度测试 DN17175及GB5310中并没有对材料的硬 度作出具体要求，但DL／T869--2004中明确规 定，对合金总含量小于3％的焊缝，热处理后的焊 ．48． 表2拉伸试验结果 下屈服强度 抗拉强度 断后延长率 试样名称 R吐／MPa R。／MPa A／％ 10CrM0910(管道)298 469 34 新lOCrM0910398 539 27 12CrlMoV(覆板)315 483 32 新12CrlMoV407 565 28 DIN17175 ≥280 450．600≥20 10CrM0910 GB5310 ≥255 471—638≥2l 12CrlMoV 缝硬度不得超过母材的布氏硬度HB加100，且不 得超过270LlJ。因焊缝尺寸较小，制作标准拉伸 试样难度较大，为判断焊缝的力学性能，对母材和 焊缝分别取样进行了硬度测试，其结果见表3，测 试结果表明焊缝的硬度略超过了规程的要求，说 明施工时热处理工艺执行不当。硬度偏高反映焊 缝区力学性能偏差，焊缝的延伸率及冲击韧性不 是很理想，对裂纹的产生有一定影响。 万方数据 弟27卷第8期 矗3磋度甜试结果 12CrlMoV##b对。C母rM#09”侧热影响E 母材 佣热影响区 ?剥：* 24金相检查 盎相检查的目的是为了考察管道长期高温服 役后材料的显微组织的变化情况，检查碳化物的 析出和球化情况，井检查是否存在蠕变宅洞。材 料的金相组织见圉2。 b】12cflM“({*)±自目m200x 圈2材料盘相组织 lOCrMoglO(管道)金相组织为铁襄体+风氏 体+弥教碳化物，铁素体晶内和晶界址均有碳化 物析出，贝氏体中的碳化物已球化，贝氏体仍保持 原有的区域形态，球化等级为中度球化。 12CrlMaV(疆板)金相组织为铁素体+珠光体+ 弥散碳化物．铁紊体晶内和晶界址均有碳化物析 出，珠光体中的碳化物已球化，珠光体仍保持原有 的区域形态，球化等级为中度球化。金相组织检 查中束发现有蠕变空嗣。 25拉伸试样断口分析 通过电镜扫描可以分析断口的特征，检查判 断材料的损伤程度，断口在扫描电镜中的形貌见 圈3。 总第213期 IOCrM0910及12CrlMoV母材拉伸断口中部 均星纤维状，边缘为剪切唇．同时两种材料均呈韧 窝状穿晶断口。拉伸断n的扫描电镜分析表明， d)12(rlMoV(&《1*um§∞0o 万方数据 CPVT 主蒸汽管道裂纹产生原因分析及处理对策 Vol27．N082010 (e)焊缝断口中部200× (f)焊缝断121边缘200x 图3母材常温拉伸试验断口电镜扫描照片 在非冲击载荷的拉伸断裂过程中，虽然碳化物在 晶内和晶界均有二次相析出，但尚未使得拉伸断 裂沿晶界发生，仍是穿晶断裂，其韧窝状花样说明 材料尚具有相当的塑性。断口电镜照片上的小坑 是碳化物掉落之后留下的，这进一步说明了碳化 物的聚集和长大已达到一定的程度。没有对焊缝 制作标准拉伸试样，但为检查焊缝微观组织形态， 仍对焊缝进行了拉伸试验，焊缝拉伸断口也是中 部呈纤维状，边缘为剪切唇，呈韧窝状断裂，却出 现了二次裂纹，这反映了焊缝的损伤。断口上未 发现蠕变空洞¨。。 2．6试验结论 分析结果表明，lOCrM0910和12CrlMoV以 及焊缝的C，Mn，Si，S，P，Cr，Mo，V等主要元素含 量均符合相关标准的要求；拉伸试验结果表明，母 材的强度、塑性指标均在合格范围内；金相检查和 试样断口分析结果表明，尽管材料已经有一定的 损伤，表现为碳化物的析出与球化聚集，但材料的 微观组织形态尚能保证其正常运行，可以排除裂 纹的产生与原材料质量有关。焊缝断口出现的二 次裂纹可能与焊缝质量不佳有关，焊缝区硬度偏 高可能与热处理工艺执行不当有关，但这些应不 ·50· 是裂纹产生的根本原因。 3设计分析 3．1管系受力情况分析 发现裂纹后，管道原设计单位根据管道竣工 图及现场情况对管道受力情况进行了进一步的分 析核算，未发现管道承受超过设计允许的载荷，考 虑到管道的走向及支吊架位置均按照哈锅220t 锅炉的典型设计进行，可以排除管道在受力方面 存在问题。 3．2支吊架管部结构分析 支吊架的管部结构按其同管道的连接方式可 分为整体型和非整体型两种。整体型管部连接件 通常是与管道通过焊接方式连接在一起的，如果 在现场进行施焊，焊后热处理和焊缝检验难度较 大，焊接质量较难保证，因此，焊接式管部连接件 为不推荐使用的结构型式，通常只用在次要的碳 钢管道上。非整体型管部连接件采用夹持或支托 的方式与管道连接，安装简便，容易调整旧J。5。炉 主蒸汽管道支吊架的管部结构属于整体型，需要 指出的是，通过焊接将覆板与管道连在一起，启停 炉过程中，在管道的焊接部位会产生很大的附加 热应力，同时覆板与管道形成了应力集中非常严 重的搭接接头，焊趾内侧严重的应力集中很容易 促使裂纹的产生与扩展。 3．3对支吊架管部结构分析结果的验证 在一期、二期工程中建设的主蒸汽管道普遍 采用整体式的管部结构，如果4．2节的结论是正 确的，那么5。炉主蒸汽管道4’吊架存在的问题可 能大量存在。为保证管道的安全运行，首先对5’ 炉主蒸汽管道的其余7只支吊架覆板进行了拆 除，发现覆板下方的管道上均存在裂纹，在后来的 大修中，陆续对其余5台锅炉及4台汽轮机的主 蒸汽管道进行了检测，累计拆除66只支吊架的覆 板，结果发现覆板下方管道上全部存在裂纹。另 外在检验中发现，少数拆除前可以在外表面直接 检测出裂纹的焊缝，其焊脚尺寸均偏小，并且咬边 也较严重，这进一步说明了焊接质量对裂纹的产 生与扩展有一定影响。 4处理措施 4．1更换覆板下方管段 (下转第23页) 万方数据 第27卷第8期 压 力 容 器 总第213期 表5情况2迭代结果 X80钢管道型号 验算点 屈服强度 ／ram×mm 迭代次数 壁J摹／mm 外径／mm 内膨MPa 屈服强度／MPa 均值／MPa l 18．4000 1219．000012．0000 555．0000 558．5748 1219×18．4 52 18．2574 1222．368412．3215 539．5172 554．8274 l 22．0000 1219．000012．0000 555．0000 560．3145 1219×22 65 20．9623 1225．257812．8854 543．285l 554．6578 1 26．4000 1219．000012．0000 555．0000 548．2640 1219X26．4 60 25．5014 1224．637212．5207 547．】539 554．5249 问题中，提出了适用于X80钢管道设计的参数可 靠度反分析方法； (2)以西气东输二线X80钢三种壁厚管道为 例进行可靠度反分析，结果表明该方法收敛速度 较快、计算精度较高，对大口径、高压力管道参数 设计具有较强的指导意义； (3)该分析方法具有普遍意义，可应用于其 他类型结构的可靠度反问题。 参考文献： [1】DerKiureghianA，ZhangY，LiCC．InverseReliability Problem[J]．J．ofEngineeringMechanims，1994， 120：1154—1159． [2]HongLi，Ricardo0Foschi．AnInverseRdiabifity MethodandItsApplication[J]．StructureSafity， 1998，20：257～270． [3]沙丽新，石雪飞．斜拉桥主梁静力可靠性反问题分 析[J]．哈尔滨工业大学学报，2004，36(2)：258— 260． [4]李典庆，周建方．机械设计中的可靠度反分析方法 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总第213期 独山子石化2台全密度聚乙烯反应器由于设 备直径大，全部筒节、锥段、裙座都是分片制造、现 场组焊。半片筒节刚性小，在运输中极易变形，在 制造厂也因为没有验收标准而无法验收。对大型 球罐来说，单个球片和现场组装都有验收标准，但 对于大型立式或卧式容器，如果安装单位或业主 有要求，多采用预组装、进行单片验收。经过长途 运输到现场还有变形问题，给现场组装造成困难、 相互推诿，从而影响设备的安装质量。 GB151中换热器的设计制造的最大直径为 2600mm。现在很多石化装置用换热器直径超过 3000mm。近年来，大型乙烯项目采用国外专利 设计的环氧乙烷装置用反应器，为换热式结构，直 径多在5000mm以上，最大达到7000mm，其设计 和制造难以参照GB151。标准的拓展与更新已 提到日程。 5结语 目前，中国石化装置大型化对机械制造业的 影响深远，压力容器制造业也在发生巨大的变化。 新技术、新工艺的采用也在对现行标准、 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 产生 冲击。在世界经济危机和中国经济建设的发展 中，中国石化机械制造业近期的发展令世人瞩目， 但风险和机遇并存。 应该看到：设备大型化提高了国内对大型石 化设备的制造能力，但产能过剩的趋势已显现。 在经济发展的大潮中，大厂依靠自身实力，占尽先 机，但小厂因其成本低、经营灵活可能发展更快。 希望国内的石化机械制造业在竞争中联合，在竞 争中发展。同时，大厂超大的装备能力应为周边 的机械工业发展提供支持，以发挥更大的社会效 益。竞争除了装备能力的竞争外，企业更应重视 产品质量的提高，这才是立于不败之地的根本，是 企业的生命。 参考文献： [1]王玉台．加氢反应器制造技术的新进展[J]．石油化 工设备技术，2006，27(5)：8—9． [2]董岚枫，钟约先，马庆贤，等．大型简体锻件的制造 成型技术[J]．锻压技术，2007，32(3)：1—6． [3]季伟明．焦炭塔建造技术的探讨[J]．压力容器， 2009，26(11)：34-41． [4]丁守宝，刘富君，胡东明，等．超声时差衍射技术在 中国的应用进展[A]．压力容器先进技术[c]．北 京：化学工业出版社，2009：719—724． 收稿日期：2010—03—24修稿日期：2010—08—10 作者简介：聂颍新，女，高工，主要从事压力容器国产化及 设备监造工作，通信地址：230031安徽省合肥市长江西路 888号合肥通用机械研究院，E—mail：nieyingx@yahoo． (上接第18页) 大多数情况下是安全的，可以推荐使用。 参考文献 [1】 StandardsoftheExpansionJointManufacturesAssoci． ation[S]．Inc．9山2008(Including2009Addenda)． [2]ASMEBoilerandPressureVesselCode，SectionⅧ RulesforConstruction．Divisionl．2007ED(Including 2009Addenda)[S]． ‘ [3]AsMEBoilerandPressureVesselCode，SectionIIMa． terialsPartD：Properties(Customary)，2007ED(In． eluding2009Addenda)[S]． [4]BroylesRK．DesignandAnalysisofPiping，Pressure Vessels，andComponents[J]．ASMEPVP，1987，120： 99—106． [5]GB150--1998，钢制压力容器[S]． 收稿日期：2010—08—09 作者简介：牛玉华(1966一)，女，工程硕士，研究员级高级 工程师，从事波纹膨胀节及压力管道的设计、研究工作， 通信地址：211153江苏省南京市南京晨光东螺波纹管有 限公司，E—mail：njcgtmiuyh@163．com。 (上接第23页) 参考文献： [1]DL／T869--2004，火力发电厂焊接技术规程[s]． [2]董雷云．长期高温服役主蒸汽管道现场检验及材质 损伤分析[J]．压力容器，2002，19(8)：9—11． [3]林其略，周美芳．管道支吊架技术[M]．上海：上海 科学技术出版社，1994． 收稿日期：2010—07—19修稿日期：2010-07—30 作者简介：周文(1974一)，男，高级工程师，从事承压设备 的技术管理工作，通信地址：211900江苏省仪征市仪征化 纤股份有限公司热电生产中心，E—mail：yzzwen@163．com。 ·39· 万方数据