锅炉减温器喷水管失效原因分析

第42卷第5期热力发电V01．42N o．5 2013年5月T H E R M

A L P O W ER G E N E R A T I O N M ay．2013

[摘锅炉减温器喷水管失效原因分析

陈忠兵1，迟鸣声1，郑黎

1．苏州热工研究院有限公

2．深圳能源集团东部电厂

峰2，沈季雄2，赵建仓1

司，江苏苏州215004

，广东深圳518120

要]通过宏观检验、电镜观察和理论计算，对同时承受机械应力和热应力的锅炉减温器喷水管失效断口形貌进行分析，研究其断裂模式与原因。结果表明，该喷水管断裂属于于热一机械疲劳断裂，交变弯曲应力和热应力是其断裂失效的主要原因。热应力使管内壁产生浅表性热疲劳裂纹，并导致机械疲劳裂纹稳定扩展至该区时发生局部快速扩展，产生局部快速断裂区，其形貌不同于常规疲劳断口最后瞬断区。

[关键词]锅炉；减温器；喷水管；断裂模式；机械疲劳；热疲劳；断口形貌

[中图分类号]TG J l3；TK228[文献标识码]A[文章编号]1002—3364(2013)05—0054—05

ED O I编号]10．3969／j．i ss n．1002—3364．2013．05．054

Fai l ur e r eas on anal ys i s f or a s pr ay t ube of a boi l er

des uper heat er i n a pow e r pl ant

C H E N Zhongbi n91，C H I M i ngshen91，ZH EN G L i f e n92，

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A bs t ract：W i t h m acr og r aphi c exam i nat i on，SE M obs er vat i on and t heo r et i cal cal cul a t i on，f r a ct ur e f r a c t ogr a phy of a s pr ay t ube w i t h bot h m echani cal s t r es s and t her m al s t r es s i n a boi l er des uper—he at e r i n a pow er pl ant w a s i nt er pr et ed，and r u pt ur e m ode and ca u s es w er e r es ear ched．T he r e—sui t s s how e d t hat r upt ur e of t he s pr a y t ube w a s due t o f a t i gue，a nd f ur t her，t he r m a l—m e chani ca l f a t i gue．A l t er na t i ng bendi ng s t r es s and t her m al s t r es s w er e m ai n f ac t or s of r upt ur e f ai l ur e．Shal—l ow sur f ace t her m al f at i gue cr acks i ns i de t ube w er e i nduced by t her m al s t r ess．W hen t her m al—m e—cha ni c al f at i gue c r a ck gr e w up st ea di l y t o t he s hal l ow sur f ace c r ac ks r egi on，f as t gr ow t h occ ur r ed and l ocal f as t r upt ur e r egi on gene r a t e d w hi c h had di f f er ent f r a ct ogr aphy w i t h f i nal r upt ur e r e gi on of c onve nt i onal f at i gue f ract ure．

K e y w or ds：de supe r hea t e r；s pr ay t ube；f r act ur e m ode；m echani cal f a t i gue；t he r m a l f at i g ue；f r actog—r aphy

不同的失效模式具有不同的断口形貌特征。对于疲劳失效，典型的断口由裂纹源区、裂纹稳定扩展区和快速断裂区组成。在裂纹稳定扩展区可以观察到疲劳弧线和疲劳条带：12-。但材料、载荷和环境介质不同，疲劳断裂断口形貌并不完全相同，如热疲劳

作者简介：

E—m ai l 断口形貌一般为多源，存在二次裂纹或疲劳台阶≯6j；机械疲劳断El中，载荷类型、大小和应力集中程度不同，疲劳源位置、稳定扩展区面积和弧线形状也会发生改变E7。9]。在这些研究中，非典型复杂混合断口的准确诊断是断口形貌研究的难点m1引，但这

陈忠兵(1966)，男，毕业于华中科技大学，焊接硕士，固体力学博士，副总工程师．教授级高级工程师．主要从事电站构件与焊接接头完整性研究。

c zbi n92000@hot m ai l．C O In

第5期陈忠兵等锅炉减温器喷水管失效原因分析

种诊断有助于分析不同失效因素对断裂的贡献，从

而采取有针对性的抗疲劳措施。

大容量电站锅炉广泛采用喷水减温器作为蒸汽

温度调节设备。减温器的喷水管工作时，要承受剧

烈的温度变化，以及机械载荷。疲劳和振动是喷水

管失效的主要原因，而疲劳主要为热疲劳‘13-15]。在

采取相应措施后，喷水管断裂事故仍时有发生i14-16]。

本文通过观察某锅炉减温器喷水管断口形貌，分析

了该喷水管的断裂模式，研究了热疲劳与机械疲劳共同作用下的断口形貌特征，估算了热疲劳与机械疲劳对断裂的贡献，从而为该类结构的抗疲劳设计提供依据，为热疲劳与机械疲劳共同作用下混合断口形貌的诊断提供工程实例。

1喷水管结构与运行工况

某锅炉减温器及其喷水管结构如图1所示。喷水管材料为SA213一T22，规格为D42．2m m×6．35 m m，喷水管外蒸汽温度与压力分别为568。C与3．44M Pa；喷水管内减温水温度与压力分别为182。C与8．27M P a。机组采用日起E t停调峰运行方式，截至喷水管断裂时累计运行20903h，起停923次。

图1减温器及其颐水管结构

Fi g．1D i agr a m dr aw i ng of t he de supe r hea t e r

an d t he s pr ay t ube

2断裂试样检验与断口形貌观察减温器喷水管与减温器内套筒相接触的根部发生断裂。

2．1材料成分分析与性能检验

对喷水管材料进行了化学成分分析、力学性能检验、金相组织分析。力学性能检验结果见表1。金相组织为铁素体+珠光体+碳化物，珠光体球化≤3级，未见明显老化；铁素体晶粒度8～9级。各项检验结果表明，喷水管材料成分、运行后组织与性能参数均符合A S M E标准要求。

表1喷水管材料力学性能试验结果(26℃)

Tab l e1T e s t r es ul t s of m echan i cal pr oper t i es of t he s pr ay t ube m at er i al(T es t t em per at ure：26℃)

注：冲击功试验试样为10m m×5m m×55m m。

2．2断口宏观形貌观察

断口表面呈铁青色，覆盖有氧化皮(图2)。喷

水管管孑L周围可见放射状裂纹(图3)，管内壁存在

平行于管纵向的浅表性裂纹(图4)，最深处为

1．1m m。以上裂纹具有典型热疲劳裂纹形貌。喷

水减温初始阶段，减温水与高温蒸汽接触后瞬间汽

化，产生的巨大热应力是导致疲劳裂纹的主要原因。

图2喷水管断口全貌

Fi g．2O ver al l m or ph ol ogy of s pr ay t ube f r ac t ur e

热力发电

图3喷水管管孔周围裂纹

Fi g．3C r acks ar ound t he s p r a y t ube hol es

图4管内壁浅表性裂纹

Fi g．4

Shal l ow s u r f ac e t herm al f a t i gue c ra c k s i n si d e t he t ube 2．3断口形貌电镜观察

在扫描电镜与体视电镜下，对断口形貌进行观察的结果见图5。

a)断r】全貌

(c)碰磨区、稳定扩展区(d)疲劳条纹(管内壁近裂纹区)

和快速断裂区

图5电镜下部分断口形貌

Fi g．5Par t i al Fr act og r aphy und er el e ct r on m i cr os cop es

a)O ver al l m or phol o gy und er SE M(b)Cr acks i ni t i at i on

z o ne unde r S EM(c)r ub da m age zo ne，st abl e e x t e ns i on

z on e an d f as t r up t ur e r egi o n und er s t er eom i cros cop e

(d)Fat i gue st r i pe s und er SE M(ne ar cr ack i ni t i at i on z on e

i n ne r si d e of t he t ube)

由图5可见清晰的疲劳条带，为金属疲劳断口典型的微观形貌特征，因此判断断口为疲劳断口，断裂模式为疲劳断裂。断口形貌特征如图6所示。

图6断口形貌特征示意

Fi g．6Fra c t ure char ac t er i s t i c pa t t e r n of ov er al l m or phol o gy

由图6可见，疲劳源位于喷水管外表面与套筒内壁碰磨损伤处，与蒸汽流向接近90。。源区断面平整，疲劳条带密集，条带弯曲弧度大，弧心指向碰磨处。断面上仅发现1处疲劳源。

裂纹稳定扩展区占断面绝大部分面积。该区条带间距约150～300"m。从条带弯曲形状判断，裂纹产生后，沿源区左右周向扩展，在距起源点一侧约120。、另一侧约240。的区域汇合。

从图6还可看出断口上存在2种形貌的快速断裂区。快速断裂区I位于左右侧稳定扩展区交汇处，断面呈粗糙的纤维状，具有快速拉伸断口形貌特征。根据其位置和形貌判断，该断裂区是当裂纹扩展至喷水管剩余截面不足以承受外载荷的尺寸时，发生失稳扩展而形成的，是断口最后快速断裂区。快速断裂区I I位于喷水管横截面内壁深约1m m范围，紧靠近裂纹稳定扩展区，被高低不等的台阶分割成多个小平面，小平面上无疲劳条带，每个小平面均有独自的剪切斜面与稳定扩展区相连(图5a，5d)，同样具有快速静拉伸断口形貌特征。结合喷水管内壁存在的热疲劳裂纹，认为该区也属快速断裂区，其外壁产生的裂纹稳定扩展至该处时，与内壁热疲劳裂纹相交汇，被热疲劳裂纹分割的截面不足以承受扩展的尖端应力而发生一次快速断裂。随后疲劳裂纹继续扩展，在与下一条热疲劳裂纹交汇时，再次发生快速断裂。由此可见，该快速断裂区是在裂纹稳定扩展过程中产生的，而非最后瞬时断裂产生，但该区缩短了裂纹扩展面积，从而加速了断裂过程的发生。

3断裂原因分析

机组运行时，受高速汽流的冲刷作用，喷水管承受弯曲应力，停机时弯曲应力消除。因此，该喷水管承受机械的交变弯曲应力。机组运行期间，喷水管喷水时减温给水与联箱内的蒸汽温差超过386℃，

第5期陈忠兵等锅炉减温器喷水管失效原因分析喷水管同时承受热疲劳载荷。即：

3．1弯曲应力分析

将喷水管简化为如图7所示的简支梁，计算得蒸汽流下的弯曲应力：正常运行时，A断裂处最大弯曲应力d。。。一149M Pa，机组起停时，弯曲应力‰。一O。故由蒸汽导致的弯曲应力幅勘=149M Pa。

图7喷水臂弯曲应力示慝

Fi g．7D i agr a m of bendi ng st r ess c al cul a t i on of s pr ay

t ube 3．2热应力分析

采用A N S Y S有限元方法，对喷水管热应力进行计算。计算采用PL A N E55单元、文献[18-1给出的T22钢物理性能参数，取管内壁温度为182。C，假设蒸汽超温10℃，即外壁温度为578。C。由于喷水管设计时，其长度方向可自由伸长，故计算时管纵向不施加约束。计算得到管壁热应力von M i ses应力分布如图8所示。从图8可算出，管壁最大热应力产生于喷水初始阶段，达169M Pa，位于管外壁。喷水减温结束后，热应力消失。故由热应力导致的疲劳应力幅△仃一169M P a。

图8喷水管热应力yon M i se s应力分布Fi g．8T h e yon

M i ses st r ess f i el d cont our of s pr ay t ube 3．3疲劳应力幅A a反推算

根据疲劳断口定量分析技术‘12’19I，可以反推出断裂过程的疲劳应力幅△d。计算采用Pa r i s公式，

da／dN—f(A K)”

A K一△盯y厶i

△口一(手)告cy瓜，

式中：C、7"／为材料常数；口为裂纹深度；N为循环次数；y为裂纹形状因子；S为疲劳条纹宽度；A K为裂纹尖端应力强度因子变化范围；A a为瞬时疲劳应力。根据断口形貌与断口定量分析技术，理论上可以准确获得疲劳应力大小及机械应力和热应力的贡献。但对于工程试样，由于断口的氧化、现场载荷的随机与复杂性，要精确测定疲劳条带间距和数量、精确统计疲劳循环次数很困难，同时还需试验测定服役条件下裂纹扩展材料常数c、行。因此，计算时只能获得疲劳应力范围。

裂纹起源于喷水管外表面。根据断口形貌，稳定扩展初期裂纹为半椭圆，深乜一3．2m m时，表面宽约2b一10～12m m(图9)，此区域疲劳条纹宽S 约150～200“m，根据文献[20]，此时的裂纹形状因子y一0．8～0．9。根据计算，此时裂纹尖端区域温度约500。C，采用文献[21]获得的T22钢500℃时裂纹扩展材料常数f一6．82294×10～，靠一2．4702，代入Pa r i s公式，得到该瞬时疲劳应力△仃一97～123M P a。

图9裂纹扩展初期形状示意

Fi g．9S hap e di ag r am of e ar l y gr ow t h s t a ge cr ack

根据计算获得的弯曲应力与热应力可看出，导致该疲劳断裂的弯曲应力幅与热应力幅接近，且与采用断口定量分析技术得到的应力幅基本吻合。因此，该疲劳断口应为机械应力与热应力共同作用导致的热一机械疲劳断裂。

4结论与建议

(1)根据断口上的疲劳条带可以确定某锅炉减温器喷水管断裂为疲劳断裂；根据计算的弯曲应力幅、热应力幅，可以确定该疲劳为热一机械疲劳。该

58热力发电2013往

失效事例说明，热疲劳并非导致锅炉减温器喷水管

疲劳断裂的唯一模式，还存在机械疲劳损伤和热一机

械疲劳导致的失效。抗疲劳设计时，需要根据部件

结构与机组运行特点进行具体分析。

(2)喷水进入喷水管瞬间，由于给水在内壁汽

化，由此产生的热应力使管内壁产生浅表性裂纹，并

在断口上产生一种局部快速断裂区，该快速断裂区

在裂纹稳定扩展过程中快速断裂时产生，而非最后

瞬断时产生，其形貌也不同于常规疲劳断口的最后

瞬断区。

(3)为了保证部件正常运行，建议将喷水管管座

和喷水管的焊接连接改为法兰连接，以方便检修时

检查和更换。

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