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电站锅炉安全阀连接焊缝失效分析

文档作者：王宾，温秉权，路学成，许爱芬文档来源：军事交通学院装运机械系		点击数：	更新时间： 2021年11月13日
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～ 失效分析一
电站锅炉安全阀连接焊缝失效分析
王宾，温秉权，路学成，许爱芬
(军事交通学院装运机械系，天津 300161)
摘要：电站锅炉热管往往由于安全阀连接焊缝开裂而失效。对天津某电厂的安全阀连接焊缝测定了材料
的性能和应力。结果表明，安全阀连接焊缝开裂主要是由于安全阀动作时产生的瞬间动态应力所
致。采用液压式阻尼器能有效防止安全阀连接焊缝开裂。
关键词：安全阀；连接焊缝；性能；应力
中图分类号：TG404 文献标识码：B 文章编号：1008·1690(2010)06—0074—004
Failure Analysis on Safety Valve Jointing Weld of Power Utility Boiler
WANG Bin，WEN Bing—quan，LU Xue—cheng，XU Ai—feng
(Handling Equipment Mechanical Department，Academy of Military Transportation PLA，Tianjin 300161)
Abstract：The failure of hot pipe of power utility boiler arises frequently from the cracking of safety valve jointing
weld．The property and stress were measured for the safety valve jointing weld of a power plant in Tianjin．The results
reveal that the cracking of safety valve weld arises primarily from an instantaneous dynamic stress resulting from the
moving of safety valve，and the application of hydraulic damper may prevent the safety valve from cracking．
Key words：safety valve；jointing weld；property；stress
在电力系统锅炉热管失效事例中，安全阀与设
备连接焊缝频繁出现裂纹已成为一个非常突出的问
题。由于安全阀动作时，对管道产生很大的排气反
力，往往导致焊缝开裂，其失效后高压、高温蒸气对
设备、人身安全的危害极大。因此对安全阀连接焊
缝进行失效分析对电力安全生产具有十分重要的现
实意义。
为了防止焊缝裂纹，需要对焊缝进行材料性能
和应力分析，分析其可能的失效原因。以天津某电
厂为例，该厂机组已累计运行l2万h，为了了解管
道在使用中组织和性能的变化以及安全阀动作时的
焊缝应力状况，对管材试样进行了化学成分分析、力
学性能试验、金相分析和高温拉伸性能试验，对管道
进行了有限元数值分析，以获得连接焊缝部位在安
全阀动作时的应力状况。
1 化学成分
由表1可知，监督段部分材料在高温和应力条
件下运行12万h之后其化学成分变化不大，基本符
合国家标准。
本试验所用的材料为从锅炉管道监督段切取的
带有环焊缝的直管段，其化学成分见表1。
表1 试验材料的化学成分(质量分数。％)
Table 1 Chemical composition of material used for test(＼『I，t％)
收稿日期：2009．09—17
作者简介：王宾(1977．)，男，江苏姜堰人，硕士，讲师，主要从事焊接材料结构强度和断裂方面的研究。联
系电话：13512062930，E—mail：ice—wangbin@126．con
· 74‘ 《热处理》 2010年第25卷第6期
2 显微组织
钢中碳化物的球化过程包括从片状转化成球状
和球状粒子长大两个过程。钢中的碳化合物球化
后，钢的蠕变极限和持久强度会下降。球化现象越
严重，高温性能就越差。
珠光体中片状渗碳体表面积较大，具有较大的
表面能量，有从较高的能量状态向较低能量状态转
化的趋势。在常温或温度较低时，原子的活动能力
较弱，一般不能完成上述转变，所以这时的片状碳化
物还是比较稳定的。但是，在高温和应力的长期作
用下，原子的活动能力增强，扩散速度也增大，具备
碳化物从片状向球状转化的条件。由于球状物的表
面积最小，因而其表面能也最小，所以片状碳化物就
向球状转变 。
电厂用钢引起球化的原因，一是高温，二是高温
下工作的时间长，尤其是超温运行或工作温度经常
上、下波动，会促进球化的产生和发展。
为了加强对金属构件的监督，已经编制了球化
级别标准，可作为各电厂评定球化级别时参考。
3 DL／T773-200 1火电厂用12Cr1 MoV
钢球化评级标准
监督段管道母材显微组织如图1所示。其组织
接近于完全球化，其中白色晶粒为铁素体，黑色晶粒
为珠光体，在原珠光体位置的碳化物已经完全球化，
球化级别为3．5级。另外在铁素体的晶界上碳化物
已经有所聚集。其组织为铁素体基体中分布着球状
碳化物。
图1 管道母材的显微组织X500
Fig．1 Microstructure of pipe base metal X 500
焊缝热影响区的显微组织如图2所示，组织为
铁素体+回火贝氏体。热影响区处于中度老化阶
段，其宽度平均为3 mm。
4 力学性能
图2 热影响区的显微组织×500
Fig．2 Microstructure of heat affected zone ×500
焊缝显微组织如图3所示，组织为回火贝氏体。
没有发现其他明显缺陷。
图3 焊缝的显微组织X500
Fig．3 Microstructure of weld ×500
4．1 常温力学性能
依据国标GB／T 228．2002_4 和GB／T 2651—
1989 选取母材和焊接接头分别进行了拉伸试验，
依据国标GB／T 229．1994[ 和GB／T 2650—1989[ 选
取母材和焊接接头分别进行了夏氏冲击试验，测试
结果列于表2。
表2 运行12万h后12CrlMoV钢的常温力学性能
Table 2 Mechanical properties at room temperature
of 1 2CrlMoV steel after operating for 1 20 000 h
4．2 高温力学性能
根据GB／T 4338—1995[引，在540℃ 进行拉伸试
验，所得12CrlMoV钢的高温力学性能如表3所示。
《热处理》 2010年第25卷第6期
表3 运行12万h后12Crl MoV钢的高温力学性能
Table 3 Mechanical properties at high temperature
of 1 2Crl MoV steel after operating for 1 20 000 h
根据GB／T 150—1998《钢制压力容器》 J，许用
应力是钢材的各项强度数据分别除以相应的安全系
数，取其中的最小值。12CrlMoV钢540℃运行12
万h安全系数n 为3，n 为1．6。根据表3，母材的
许用应力[ ] 为78．5 MPa，焊接接头的许用应力
[Or] 为63 MPa。
5 应力分析
由于安全阀动作时很难通过实验测得连接焊缝
部位的应力，所以有限元数值分析法是更为简便可
行的方法。
本课题选用CAESARII管道应力分析软件对安
全阀动作时连接焊缝部位的应力状态进行了模拟。
5．1 结构模型与计算条件
根据电厂所提供的设计图及现场勘察，利用
CAESARII管道应力分析软件获得安全阀连接管道
的结构示意图，如图4所示。热管与过热器集箱相
连，在分析过程中热管的下端设为固定约束。安全
阀动作时的计算条件见表4。
与安全阀
进口相连
的热管
图4 管道结构示意图
Fig．4 Schematic diagram of pipe stucture
5．2 应力分析结果
利用CAESARII管道应力分析软件计算的安全
阀关闭的应力分析报告和安全阀动作时的应力分析
结果见表5。
表4 安全阀的计算条件
Table 4 Calculation conditions for safety valve
项目
工作温度／下
蒸气释放时的压力／lb．／sq．in．
安全阀喉部内径／in．
与安全阀出口相连的管系内径／in
放空管管系内径／in．
放空管管系厚度／in．
放空管长度／ft．
放空管是否伞状连接
管道及安全阀材料
比定体热容(蒸气)／k
气体常数(蒸气)( )
安全阀开启时间／ms
安全阀关闭时间／ms
安全阀持续时间／s
表5 应力分析结果
Table 5 Stress analysis results
安全阀关闭
位置 弯曲应等效应
力／MPa 力／MPa
安全阀动作
轴向应弯曲应等效应
力／MPa 力／MPa 力／MPa
安全阀与热7
． 14 8．O2 1．87 46．16 48．01
管连接焊缝
从安全阀关闭时的应力值可以看出，在安全阀
与热管的连接焊缝处产生的等效应力值为8．02
MPa，远远低于焊缝运行12万h后在540 cc的许用
应力[or] (母材78．5 MPa，焊接接头63 MPa)。由
安全阀动作时的应力值得出，安全阀排放所产生的
最大动态应力的等效应力值为48．01 MPa。比较两
个应力值可以看出，安全阀动作时会在焊缝部位产
生很大的应力，其值是安全阀关闭时的6倍。虽然
这个应力还没有达到母材和焊接接头的许用应力，
但是已经比较接近焊接接头的许用应力63 MPa。
6 失效的综合分析
安全阀连接焊缝产生裂纹与其服役条件和材料
特性密切相关，通过以上的材料性能测试和应力分
析可以找到安全阀连接焊缝失效的原因 9 J。
(1)安全阀连接焊缝在经过12万h的高温和应
力条件下的运行后，成分基本符合国家标准，所以成
分的变化对安全阀连接焊缝产生裂纹的贡献不大。
(2)珠光体的球化和碳化物的聚集是安全阀连
接焊缝的常温和高温力学性能迅速下降的重要原
因，它对安全阀连接焊缝产生裂纹的贡献很大。
(3)由于安全阀连接焊缝长时间在高温蒸气和
· 76’ 《热处理》 2010年第25卷第6期
皴一2一 一 一( 是2一 ∽ ∞
应力条件下工作，高温腐蚀可能使管壁减薄，珠光体
的球化和碳化物的聚集会导致蠕变强度和持久强度
降低。焊缝虽然经过热处理，但由于管道结构复杂，
焊接残余应力不可能彻底消除。因此高温腐蚀、蠕
变强度和持久强度的降低以及焊缝中存在的内应力
也是安全阀连接焊缝产生裂纹的重要原因。
(4)安全阀动作时在焊缝部位产生6倍于正常
状态下的应力，这个应力不仅其数值接近许用应力，
而且是一个瞬间动态应力，所以安全阀动作时产生
的应力对安全阀连接焊缝处产生裂纹的贡献最大。
综上所述，导致焊缝部位产生裂纹的主要原因
可归结为温度和应力两种因素，其中安全阀动作时
产生的瞬间动态应力是最主要的原因。
7 预防措施
由于安全阀连接焊缝长期在高温和应力条件下
运行，所以由温度引起的材料性能下降是不可避免
的。针对这种情况，预防安全阀连接焊缝失效的可
行方法应该从减少安全阀动作时在焊缝处产生的应
力人手。从安全阀动作时的应力分析可知，在安全
阀动作时，会在如图4所示的放空管起始端弯头处
产生一个很大的推力，从而导致在焊缝处产生6倍
于正常应力的应力值。在弯头下方添加一个Y方向
约束，来减少安全阀动作时瞬间外力在连接焊缝处
产生的应力。利用CAESARII管道应力分析软件计
算结果表明，添加Y方向约束后焊缝处的等效应力
值为36．48 MPa，减少了24％ 。
所以用一个装置在弯头下方施以Y方向的约束
力，可以大大降低安全阀动作时焊缝处的应力，从而
可预防安全阀连接焊缝失效。
采用对速度反应灵敏的液压式阻尼器可以有效
地预防安全阀连接焊缝失效¨ 。液压式阻尼器的
作用：
(1)在安全阀动作时，该装置相当于一个刚性
约束，能承受安全阀排气引起的推力，保护所支撑的
管道不会因偶然承受冲击载荷而损坏，同时降低安
全阀连接焊缝处的应力。
(2)在管道处于正常工况下，不影响管道由于
热胀冷缩引起的缓慢移动，即管道缓慢移动时，该阻
尼装置也随着移动，对管道产生的外力很小。
8 结束语
以天津某电厂的与过热器集箱相连的安全阀连
接焊缝为例，在对热管及焊缝取样进行性能和应力
分析的基础上分析了安全阀连接焊缝的失效机制，
得出了安全阀连接焊缝失效的原因主要是长时间在
高温、应力条件下服役，使材料性能下降和安全阀动
作时的排气反力过大两个原因，为此选用了液压阻
尼器来减少安全阀动作时的排气反力。采用CAE—
SARII管道应力分析软件，对应用阻尼器后安全阀
连接焊缝处的应力状态进行了数值模拟分析，证明
阻尼器能有效防止安全阀因连接焊缝开裂而失效。
参考文献
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《热处理》 2010年第25卷第6期

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