火电机组承压部件失效典型应力集中因素分析

张立新

（国电菏泽发电有限公司，山东 菏泽 274032）

0 引言

在火电机组中，有多个高温高压及高速转动的部件，这些部件上留有开孔、沟槽、缺口、台阶、尖角等，会引起应力集中，从而削弱构件的强度，降低构件的承载能力。应力集中是引起构件失效的主要因素，大部分承压部件的断裂失效破坏事故是由应力集中引起的。因此，为确保火电机组的安全经济运行，必须科学地分析和处理构件的应力集中问题。

1 应力集中影响因素

在工程力学中，等直杆轴向拉伸或压缩时，其横截面上的应力是均匀分布的。但是，工程实际中因结构需要，往往在杆中开孔、切槽或将杆制成阶梯形等，这就使得杆的局部区段的截面尺寸发生急剧变化［1］。由实验得知，在杆件尺寸突然改变的横截面上，正应力不再是均匀分布的，局部应力急剧增大。如图1所示，钻有圆孔的板条，受轴向拉力F作用时，在孔口边缘附近的局部区域内，应力急剧增大，边缘处达到最大值σmax。

图1 钻有圆孔的板条应力分布示意

应力集中的程度常用理论应力集中因数Ktσ表示，其定义为

式中：σmax为发生应力集中的截面上的最大应力；σm为同一截面上的平均应力；Ktσ是一个大于 1的系数。

实验结果表明：截面尺寸改变得越急剧、角越尖、孔越小，应力集中的程度就越严重。因此，在杆件上应尽可能避免尖角、槽和小孔，在阶梯轴肩处应采用圆弧过渡，且过渡圆弧半径尽可能大［1］。

构件中产生应力集中的原因主要有：

1）截面的急剧变化，如构件中的管孔、键槽、缺口、台阶等。

2）受集中力作用，如阀门中承受阀芯冲击的阀座、支吊架支撑的管道等。

3）材料本身的不连续性。焊接接头中，即使努力消除各种结构上的不均匀，因接头材质、组织与母材不同，应力往往集中于熔合线附近。异种钢焊接接头，焊接缺陷，大型铸件中的夹杂、气孔、白点、疏松、裂纹等，都可导致材料的不连续。

4）构件在制造或装配过程中，由于强拉伸、冷加工、热处理、焊接等而引起残余应力。这些残余应力叠加工作应力后，可能出现较大的应力集中。

2 火电机组承压部件典型应力集中实例分析

2.1 焊缝

因焊缝存在余高、内凹及内部缺陷，金相组织也与母材有较大差异，焊缝及焊接热影响区往往成为整个部件中的应力集中区域，如图2所示。其中，焊接热影响区中的熔合线是其最为薄弱的位置。焊接缺陷中，裂纹是最危险的一类缺陷。其他焊接缺陷在部件运行过程中也有产生裂纹的可能。而咬边缺陷出现在熔合线［2］（图2中的熔合区）上，加剧了应力集中的程度，所以应尽量避免；若有出现，应视情况平滑过渡或焊补。

焊接接头的质量直接影响承压部件的使用寿命和安全性。作为承压部件中最为普遍的一类结构，焊缝应是每次检修检测中需要关注的重点。

图2 不易淬火钢焊缝及热影响区

除焊缝内部缺陷外，焊缝布置方式不当引起的缺陷比较容易被忽视。大口径焊缝的错口，小口径焊缝的角变形，同一管道上相邻两焊缝距离过近，焊缝距管道弯曲起点、支吊架过近、压力容器上支管焊缝距管孔过近等，这些缺陷极易造成应力集中，都应在设计之初予以重视，施工时积极改正，监督时重点关注。

2.2 管座（管孔）

管座一般是焊接在承压部件的管孔外部，用来连接承压部件的引出管的，根据用途可以分为联箱或容器的进出管排管座、管道的疏水管座、各类测量管座、向空排汽管座、放空气管座、安全阀管座等。

2.2.1 联箱管排管座

这一类管座其材质规格一般与管排相同，主要应力集中点在管座焊接接头、管座角焊缝及联箱筒体管孔之间。以下所有实例中，部件均经过光谱验证材质无误；硬度正常，壁厚无明显减薄，金相组织正常无明显老化。

实例1：图3所示为再热器入口联箱，管座为管排管座，管座角焊缝上熔合线处开裂，蒸汽泄漏后冲刷联箱筒体，造成表面冲刷凹坑两处，深约10 mm。

实例2：图4所示为再热器入口联箱筒体部分开裂。裂纹位于联箱管排管孔之间。经超声波探伤，开裂位置下部两管孔之间筒体内壁也有强烈反射。

图3 再热器入口联箱管座泄漏

图4 再热器入口联箱筒体部分开裂

2.2.2 管道的疏水管座、各类测量管座和放空气管座

此类管座材质规格可能与引出管不同，焊接接头可能为异种钢接头。因规格不一致，往往用大小头来连接管座与引出管。所以此类焊接接头易产生应力集中。

对于此类接头，应尽力避免大小头过渡突兀，焊接应力或管系应力过大以及角变形。应合理设计管系走向，避免管道膨胀受阻；加强焊接管理和检验，消除焊接缺陷，减少焊接应力。

实例3：图5所示为主蒸汽管道水平段疏水管座，管道材质为P91钢，管座材质F91钢，疏水管材质12 Cr1MoV钢。在某次机组启动过程中，图示箭头位置突然开裂，经宏观检查，该焊缝存在明显的角变形，开裂位置位于焊缝的下熔合线。

实例4：图6所示为氢气干燥器疏水短节，箭头所示为开裂焊缝的熔合线。该短节长度过短，管道无膨胀余量。

图5 主蒸汽管道水平段疏水管座

图6 氢气干燥器疏水短节

2.2.3 联箱向空排汽管座

机组在紧急停机时会使用向空排汽管道排出锅炉中多余的蒸汽。向空排汽管路一般设置在高温过热器出口联箱和高温再热器出口联箱，排汽由电动阀门控制，蒸汽排向炉顶外大气。管系过长或设计不合理，会造成管座、对接焊缝甚至联箱的损坏。

图7是再热器向空排汽管座大小头上焊缝东侧内部存在水平裂纹A，裂纹不连续，位于焊缝和热影响区；裂纹B位于熔合线下部，大小头上部内侧，纵向发展，焊缝内部表面存在龟裂现象。图8是向空排汽管道的实际大致走向。图外未显示的管道还有十余米，且非直管段。这种管系的设计，导致机组正常运行时蒸汽在过长的管道末端凝结，凝结水顺管道走势下行，在管座对接焊缝位置产生了冷热交变应力，形成疲劳裂纹B。锅炉排汽时，因管道膨胀拉伸，对接焊缝处的疲劳裂纹沿焊缝连接扩展形成了水平（近似）裂纹A。

2.3 弯头

弯头的壁厚一般大于与其连接的管道壁厚，在进行焊接之前，往往对弯头或管道的内外壁进行修磨，以减少壁厚的突变，利于对口。但由于加工工艺及加工质量、管道走向、弯头型式限制，经常发生弯头附近存在应力集中导致部件失效的情况。

图7 再热器向空排汽管座裂纹

图8 再热器向空排汽管座管系

2.3.1 直插式方弯头

此类弯头一般用于小径管，壁厚较弯管为厚，耐冲刷。但另一面，因外部结构为方形且壁厚较大，故刚性也大，不利于管道膨胀。某公司汽机本体疏水改造时曾把原来的弯管全部更换为方弯头，但管路未改动，结果机组运行时较短管路的弯头焊缝频频开裂导致泄漏。经过分析，决定延长这些疏水管道，改造后此故障消失。

2.3.2 大口径弯头（不带直管段）

大口径管道对接难度较大，一般都需要经过内外壁修磨。即使修磨，也难以避免错口的出现。对于弯头与直管的对接更是如此。错口及内壁修磨的沟槽、台阶内是应力集中区。

图9所示为壁式再热器至中温再热器连接管弯头与直管段对接焊缝。直管厚度20 mm，弯头厚度32 mm。弯头内外壁均有修磨，其中外壁有台阶，内壁有台阶和沟槽。该焊缝上部熔合线以上6 mm处开裂导致泄漏，对弯头进行超声波探伤，发现内壁有强烈反射；挖补裂纹时经目视验证，弯头内壁有较深的沟槽，该裂纹是从沟槽处产生并扩展的。

图9 壁再至中再连接管弯头

2.4 承受交变应力的阀座及减温器

在承受交变应力的阀座结合面，为了固定结合面，有时进行堆焊，堆焊焊缝为应力集中区；运行中阀座结合面频繁承受交变冲击，两种应力具有叠加效应，此处焊缝往往成为裂纹源。

对于喷水减温器而言，喷头结构形式、安装质量、运行方式均对减温器筒体承受的交变应力有影响。在交变应力作用下，筒体内壁容易产生裂纹，裂纹形式一般为龟裂，裂纹从筒体内壁开裂，起初比较细小，随运行时间慢慢增长，最终因管系轴向应力影响连接成与应力方向垂直的外部开口裂纹，造成减温器甚至后面的联箱开裂。图10所示为高温再热器入口联箱，开裂位置位于减温器弯头后，该裂纹处联箱内壁已产生龟裂。

图10 高温再热器入口联箱

2.5 高温紧固件

双头等腰螺栓光杆部分直径与螺纹相等，无过渡圆角，应力集中严重，故只能用于非高温高压的场合。电厂高温紧固件大多常采用细腰柔性螺栓［3］。螺栓在使用中会承受以下应力，这些应力都可能造成螺栓提前失效。

1）初紧应力。应按照设计要求的扭矩，使用扭矩扳手控制初紧应力。

2）法兰结合面的拉力。正常运行时，高温高压的蒸汽压力作用于结合面上，对螺栓产生拉力。

3）加热孔热应力和拆卸时不当的加热。若安装时操作不当或加热设备故障，螺栓加热孔会承受过大的热应力；当螺栓拆卸困难时，会采用火焰加热炙烤，若没有有效的温度控制措施，很容易改变螺栓螺母金相组织，导致部件失效。

4）暴力拆卸。当螺栓拆卸困难时还会采用锤击的方法。这种方法难以控制扭矩，往往造成螺栓不可逆转的损坏。

由于以上应力的影响，螺栓裂纹可能发生在：栽丝端第一二丝扣处；螺栓腰部；加热孔内部；退刀槽等截面突变处。对高温紧固件的运行监督，主要是强度硬度的测试和裂纹检查，对裂纹进行排查时，必须严密谨慎，不放过任何可疑信号。

2.6 鳍片管

从几何角度看，鳍片式受热面管属于平面与曲面相交的部件。若处理得当，两面相交的位置并不一定成为应力集中的地方。但由于制作工艺和设计原因，在点焊位置、膨胀受阻位置、鳍片终点都有可能产生严重的应力集中，造成受热面管拉裂。此类部件主要有：鳍片式水冷壁、包墙（包覆）过热器、隔墙省煤器、旁路省煤器等。以上部件均对应力集中部位加大防磨防爆检查的力度。

2.7 大型铸件

电厂主汽门、高调门、中压主汽门、汽缸都属于大型铸件，大型铸件的应力释放是个缓慢的过程，这个过程不仅包含制造阶段，还涵盖部件服役的整个过程。应力释放的过程，往往伴随着裂纹的产生。铸件的壳体、缸体外表面的夹角、凸起都属于应力集中的部位。利用每次大修的机会对这些部位进行监督检验以消除隐患很有必要。

2.8 汽机转子围带

汽轮机转子顶端围带的作用是约束叶片的振动，一般为类似于开孔的扁钢带，用铆钉固定在叶片顶端。围带在转子高速旋转中承受离心力、铆钉的压力、叶片的膨胀拉力、汽流的冲击等，受力情况复杂，若设计、制造不当，很容易出现铆钉孔之间开裂、铆钉孔边缘开裂，在巨大的离心力的拉扯下，围带会开裂脱落，所在的叶片甚至整个转子、隔板也会受损。图11所示为汽轮机低压转子电机侧第三级，叶片断裂了50%（宽度方向），对应所在的围带上有明显裂纹，如图12。

图11 低压转子电机侧第三级叶片开裂

图12 低压转子电机侧第三级围带开裂

3 避免部件应力集中应采取的措施

根据零件的受力情况选择适当的开孔部位。孔一般应开在低应力区，如必须开在高应力区，则应采取补强措施［4］。开孔的位置应尽量避开高应力区，并避免因管孔间相互影响而造成应力集中系数增高。

改善构件外形，尽量减少截面的突然变化，如尖角、棱角，改为过渡圆角，适当增大过渡圆弧的半径。

高温紧固件选取缺口敏感度低的材料，采用细腰柔性结构。

承压部件的设计安装应进行应力计算，合理分配应力；支吊架设计应适当，避免应力集中；机组运行检修中，管道、联箱、受热面等的支吊架应进行计算和调整。

加强焊接管理，严格执行焊接验收程序，尽力避免和消除焊接残余应力、焊接缺陷。

防磨防爆检查应根据机组运行实际梳理各类应力集中点及隐患，列出详细的检查计划并严格执行。

大型铸件的应力释放有一个缓慢的过程，应加强对高温高压阀门、汽缸的应力集中部位的定期监督检验。

承压部件的应力集中现象普遍存在，此类部件的安全监督工作任重道远，应加强运行、检修人员的技术培训，提高监督质量和运行水平。

4 结语

通过对电厂承压部件典型失效实例的研究，可见应力集中在部件断裂失效中起了关键作用。这些引起应力集中的因素一般为构件截面的急剧变化、部件承受的集中外力作用、材料本身的不连续性、残余应力叠加上工作应力。不同的实例，应力集中因素不尽相同。有时不是单一因素起作用，而是多个因素综合作用。所以，进行事故分析必须根据现场实际进行，汇总整理各方信息。应力集中不一定引起承压部件事故，但承压部件断裂事故中一般有应力集中因素的存在。断裂分析中找到应力集中点，从该点出发进行应力分析和断裂力学分析［5］，可以帮助查找事故原因。监督检验是预防事故的重要手段，而应力分析不仅是监督检验的理论依据，也可指导承压部件的设计制造、运行维护。