电动主汽门旁路焊口泄漏分析

电动主汽门旁路焊口泄漏分析

刘博

邹平县宏旭热电有限公司

摘要：某电厂#1机电动主汽门旁路焊口于2018年8月6日发生泄漏，裂纹位于焊口外侧上焊趾部位，长度达45mm，分析开裂原因为在运行状态下旁路处于关闭状态，母管与旁路管存在胀差，旁路管竖直支管的长度无法吸收胀量产生的拉应力，存在膨胀受阻，#6焊口处的应力超过了材料的强度极限，最终导致开裂。

关键词：电动主汽门旁路；焊口；泄漏分析

引言

某
单位电厂主汽压力8.83MPa 温度540℃，主汽管道规格Φ377×32 材质12Cr1MoVG,旁路规格Φ60×5 材质12Cr1MoVG，管道布置见图1，#1机电动主汽门旁路#6焊口于2018年5月15日焊接完毕检测合格，2018年8月6日发生泄漏，裂纹位于焊口外侧上焊址部位，长度达45mm，见图2，为彻底找出原因制定防范措施，对此进行了核算分析。

图
1 管道布置 图2焊口裂纹形貌

1 原因分析 1.1 检测分析

对电动主汽门旁路管座、焊缝及旁路管经材质复核均符合12Cr1MoVG化学成份，对电动主汽门旁路所有焊口磁粉检测，除泄漏焊口外，未发现异常。

1.2 热胀差值分析估算

正常运行时主汽温度540℃，压力8.83MPa，检修或更换阀门时均是在室温或接近室温的状态下进行的，此时主管与旁路无温度胀差。运行时主汽管道温度接近540℃，旁路阀处于关闭状态，经测量旁路管的温度在350℃左右，根据膨胀量计算公式ΔL=αLΔt=αL(t₂-t₁)得主汽母管与旁路管的胀差为

ΔL_540℃=αLΔt=α_540℃L(t₂-t₁)=14.58×10^-6×1620×（540-350）=4.49mm

式中：ΔL——主管与旁路间的膨胀量差值mm；

α——管材的线膨胀系数10^-6/℃，查表得α_540℃=14.58×10^-6/℃；

L——两管座间的距离mm；

t₁——旁路管的工作温度℃；

t₂——主管的工作温度℃。

1.3 焊缝处弯曲应力估算

管座为厚壁锻件与旁路管相比可视为刚性件，两管座之间的旁路管可简化为力学模型见图3，与旁路焊接的竖直段可视为在末端受简单载荷的悬臂梁，它们在水平管段的拉力下向中间弯曲，最大弯曲值为L_S，水平管段可视为二力杆，被弹性拉伸，拉伸值为ΔL_540℃（取最大工况值），由此可得

ΔL_540℃=2L_S+ΔL₁

式中：L_S：竖管段悬臂梁最大弯曲位移值 ,mm；

ΔL_1：横管段在内应力下弹性拉伸长度，mm。

图

3 图4

L_S=Fl³/3EI_y

式中：l：竖管段长度

F:热胀差下旁路横管段内拉力

D,d：分别为旁路管外、内径

E:弹性模量

I_y：竖管段惯性矩

I_y=I_Z=π（D²-d²）/64，A=π（R²-r²），R，r:分别为旁路管外、内半径，根据胡克定律可得ΔL₁=FL/AE

已知旁路内径d=50mm，外径D=60mm，管座对接口处该温度下的弹性模量 E=1.87×10⁵MPa，横管长度L=1620mm，竖管段长度l=400mm，ΔL_540℃=4.49mm 综合上式所得：横管内应拉力F=6386N。

旁路与管座间的弯矩M=Fl=6386N×0.4m=2554.4N·m。

由于弯曲在此焊缝外侧引起的最大应力_max=MR/I_Z

=(2554.4N^.m×0.03m)/(329209.375×10^-12m⁴)=2.33×10⁸Pa=233MPa。

管道由于蒸汽压力引起在此焊缝外侧横截面拉应力σ=P×r²/(R²-r²) =8.83MPa×(25mm)²/[(30mm)²-(25mm)²]=20.1MPa。

管座与旁路间的焊缝外侧最大应力为上述拉应力叠加σ_Σ=253.1MPa。

查GB5310-2008得高温下12Cr1MoVG的高温规定塑性延伸强度R_P0.2=225MPa比较可知焊缝处的最大应力已超出材料的高温规定塑性延伸强度，加之旁路未加装吊架，见图4，使弯曲应力再次叠加，从而发生开裂。

1.4 竖管长度分析估算

由2.3可知L_S=Fl³/3EI_y l=(3ER^.L_S/[σ]_t)^1/2

式中：[σ]_t：管座对接口处该温度下许用应力，查表得 [σ]_350℃=143MPa

L_S=Fl³/3EI_y =6386×400³/3×1.87×10⁵×329209.375=2.21mm

l=(3ER^.L_S/[σ]_t)^1/2=(3×1.87×10⁵×30×2.21/143)^1/2=510mm

因此在540℃运行工况下所需竖管的最小长度l

_{min 540℃}=510mm＞L_竖实际=400mm，即在540℃运行工况竖管的实际长度400mm，无法吸收膨胀量胀差。

2 防范措施

加大旁路竖管段的长度，取值大于l_{min 540℃}=510mm，改造后取l_540℃=900mm。

在旁路电动一、二次门间增加支吊架。

3 结束语

通过上述措施的执行，能够满足胀差的补偿需求，有效减少弯曲应力，问题能否得到彻底解决，还需在以后运行中进行验证。

参考文献

[1]主蒸汽管道焊口泄漏原因分析[J].电力技术,1979(04):16-17.

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