摘 要：某新建东汽350MW机组投运初期连续出现3起顶轴油管开裂事件，对造成开裂的共性与非共性问题进行了分析，判断其制造过程中的结构缺陷，安装过程工艺不当以及应力集中区的存在是造成开裂的主要原因，针对性的提出了整改与防范措施。 1 概述
玻璃钢套管某新建350MW热电联产机组汽轮机为东方汽轮机有限公司生产，2020年12月投运。顶轴油系统主要用于汽轮发电机组开机之前及停机后需要投入盘车时，顶起转子，降低转子转动所需力矩，避免轴颈与轴直接接触造成磨损等。顶轴油系统设置3台柱塞泵，向汽轮机与发电机3至6号轴承供油，油源取至润滑油母管。顶轴油泵入口设置有一台前置泵和一组双联滤油器，出口为母管制系统，顶轴油经油泵出口、滤网引至轴承，在顶轴油泵出口设置有恒压阀，调节油泵出口压力为18MPa，顶轴油母管设置有溢油阀，整定母管压力为16MPa，顶轴油系统运行时1台油泵运行，2台油泵备用。机组于2021年3月26日首次停机检修，停机投运 无水炮泥
顶轴油系统盘车期间，相继出现了1号顶轴油泵入口法兰角焊缝开裂，出口滤网后母管管接头开裂，2号顶轴油泵入口法兰处压力取样管管接头开裂事件，由于发现及时且处理得当，所幸未造成严重后果。
2 原因分析
金属构件的断裂失效是金属部件最为常见的失效形式之一，也是最为危险的失效形式。造成金属部件断裂失效主要有以下几方面原因：过载断裂、材料致脆断裂、环境致脆断裂、疲劳断裂、混合断裂等，在实际案例当中，往往是由其中一种或者多种因素共同作用导致金属失效的发生。火电厂中金属材料使用工况复杂，往往工作在高温、高压、腐蚀性介质、高流速介质等环境中，还要受到交变应力和冲击应力的影响，易发生金属构件失效情况。本案例三起事件虽然最终表现结果均为金属的开裂失效，但开裂部位的结构形式及所处工况不尽相同，为了准确判断三起事件中金属部件失效的原因，分别从不同的角度进行分析。
2.1 顶轴油泵入口法兰焊缝开裂原因分析
顶轴油泵入口管与法兰材质均为06Cr19Ni10，属于奥氏体不锈钢，在大多数介质中均具有较好的物理化学性能，如良好的耐腐蚀性能、耐高温性能、耐氧化性能以及较高的强度等，可以很好的满足润滑油系统对金属材质的要求，在电力行业属于非常成熟的金属材料，在火电厂锅炉、汽机、化学等专业的金属构件上均有广泛应用，可靠性高。顶轴油泵入口管规格为Φ57mm×3.5mm，工作压力0.5MPa，与顶轴油泵入口法兰采用焊接的连接方式，设计焊接材料为H08Cr21Ni10，焊接材料选用符合规范，用手持式合金分析仪对母材和焊缝分别进行了材质校核，校核结果（表1）表明母材及焊材化学成分符合设计要求。
表1 母材及焊缝化学成分
化学成分（%） 检测部位 | 母材（管侧） | 阻焊油墨 母材（法兰） | 焊缝 |
Cr | 18.73 | 18.62 | 18.95 |
Mo | 0.03 | 0.05 | 0.57 |
V | 0.05 | 0.05 | 0.06 |
Ni | 8.68 | 8.88 | 9.59 |
Ti | 胎压监测装置0.02 | 0.04 | 0.42 |
Mn | 0.63 | 0.78 | 翻板百叶1.64 |
| | | |
对开裂处外观进行检查分析（图1），从开裂部位的形貌可见：开裂位于角焊缝法兰侧母材的交界处，沿着焊缝平行于焊道周向发展，无塑性变形，呈焊趾裂纹形貌。角焊缝的受力非常复杂，截面中的各方向均存在应力，其根部和趾部都有很大的应力集中，这一方面是因为力线的弯折，另一方面由于焊根刚好是两个焊件接触面的端部，相当于裂缝的尖端[1]。在解除管道与泵体法兰连接后，管道发生了较大位移，说明安装过程中有强力拉伸对口情况，焊口区域存在较大的附加内应力。由于焊口距离泵体较近，油泵运行时一直处于高频低幅的振动中，对焊口施加了交变应力，同时管道本身安装时就存在残余拉应力，这两种应力共同作用于焊缝处，造成焊缝应力集中处金属疲劳，进而导致裂纹源的出现及扩展。
图1 顶轴油泵入口法兰焊缝开裂形貌
2.2 顶轴油出口母管管接头开裂原因分析
顶轴油出口母管材质为06Cr19Ni10，规格为Φ42mm×5mm，工作压力16MPa，开裂位置在顶轴油泵出口高压过滤器后与母管相连的旋入式管接头处（图2）。安装方式为首先预安装管接头，然后调整后续管道弯管角度与管接头进行组对点焊，然后取下管段进行充氩焊接。由图2可以看出，管接头松开后，接头两侧管段的轴向与径向均有较大偏差，说明管段安装时存在强力组对情况，此时管接头连接后会存在两个方向的拉应力，再由开裂部位的形貌可以看出，开裂位于管接头的变截面处，此处生产加工时并未做圆角过渡，造成应力集中，开裂沿着管接头的变截面位置周向发展，开裂方位与以上分析存在的应力方向相吻合，开裂尺寸约为周长的1/3。由此可见，在管道安装时造成的内应力与系统管道振动引起的交变应力的共同作用下，应力集中部位发生了疲劳开裂。
域网图2 顶轴油泵出口母管管接头开裂形貌
2.3 顶轴油泵入口压力取样管管接头开裂原因分析
顶轴油泵入口压力取样管材质为06Cr19Ni10，规格为Φ8mm×1.5mm，工作压力0.5MPa，压力取样管接头与顶轴油出口母管结构类似，开裂位置同样处于变截面处（图3），位置接近泵体，属于在泵体运转振动形成的交变应力作用下应力集中处疲劳失效开裂。
图3 顶轴油泵入口压力取样管管接头开裂形貌
2.4 综合分析
由金属材料力学的相关知识可知，金属杆件在受到轴向的拉力或者压力（或其方向上的分量）作用时，与力的方向相垂直的截面如果是光滑的，那么在其横截面上的应力分布就是均匀的，如果横截面上外形突然变化（沟槽、切口、轴肩等），那么其变化附近区域内应力就会剧烈增加，这种因杆件外形突然变化，而引起局部应力急剧增大的现象被称为应力集中，应力集中对于金属部件的强度有着很大影响，往往是造成金属失效的根源[2]。考虑到金属部件设计阶段均有较大的安全裕量，其理论强度会高于其使用环境下的计算应力很多，但在交变应力的作用下，应力集中区会首先出现微小的裂纹，并不断扩展，最终造成金属部件在低于其屈服极限的应力值下失效。综合分析以上三起事件中，顶轴油入口管角焊缝的焊根和焊趾，两个旋入式管接头的变截面处，均为应力集中区，在泵体与管道振动产生的交变应力、安装工艺不规范造成的内部静应力、以及内部介质本身的压力共同作用下，疲劳裂纹迅速产生并扩展，导致金属部件短时间内开裂失效。
3 处理建议
由以上分析可知，要预防和减少类似金属部件失效情况的出现，可以从减少应力集中区域、消除附加内应力及减小交变应力等方面入手，有以下几点建议：
3.1 在不减少承压管道有效壁厚的基础上，对管接头变截面等类似的部位进行倒圆角过渡，焊接部位存在的超标的咬边等缺陷修补打磨处理，以减少应力集中。
3.2 对于存在强力拉伸组对的管段，予以调整或更换，消除附加应力。
3.3 对于靠近泵体等振动较大的管段，增加缓振管夹，减小交变应力影响。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议