多汽源高温差分汽缸泄漏原因的分析

摘 要：分汽缸作为一种常见的热能动力机械被用于多种动力设备之中，在运作时承担热负荷与机械负荷，汽缸是承受载荷压力最大且最复杂的零部件。基于此，本文将分析多气源分汽缸在高温差条件下的罐体出现的裂纹和泄漏问题，并探究解决多汽源高温差分汽缸出现泄漏的方法，以保障汽缸能够高效运转。

关键词：分汽缸;高温差;热疲劳

引言：在运作过程中会有很大一部分内缸构件受到热力载荷，在循环热力载荷的作用下容易产生疲劳裂纹，从而使汽缸产生裂缝，导致汽缸泄漏。需要结合实际情况对汽缸泄漏原因进行分析。

1多汽源高温差分汽缸泄漏及裂纹原因

1.1裂纹性质

对分汽缸存在的泄露及内部裂纹分布情况进行分析后可以发现，虽然分汽缸内部大部分都存有裂纹，但并非相对均匀地分布在汽缸内表面，裂纹大部分集中在特定区域之间。此区域恰巧是高低温蒸汽入口位置，在焊缝和母材上都有线性裂纹，也有部分圆形或半圆形裂纹。根据裂纹分布及形状可以分析出这些裂纹问题不是由于强度不足所引起的损坏。而且从裂纹分布来看，并非由管道振动引起的疲劳裂纹，否则在进汽管线振动位置应当产生更多的疲劳裂纹，不过实际情况却并非如此。检查进汽管线，有多个弯管且柔性很好，在实际运用中也未发生过异常振动，证明疲劳裂纹并非由管线振动引发的。既然裂纹的产生需要交变应力的作用，而外部未向汽缸施加交变应力，这就说明交变应力的来源是在内部。而内部交变应力的产生有两种情况。一种是内部压力变化对汽缸内部造成破坏，另一种而是内部介质温度变化引发的温度应力。如果是压力变化引起的疲劳裂纹，在裂纹分布上应当更加分散且均匀，而且汽缸罐体本身较为稳定，不容易对容器内部造成损害。那么基本可以确定造成裂纹的原因是温度应力引起的热疲劳裂纹。

1.2温度交变应力

温度交变应力的形成是高温管和低温管同时向汽缸内部供汽时所产生的，两个管道内的压力在不断变化，而随着压力变化，进入管道内的冷热气团在汽缸内的分布情况也会随之发生变化。原本与冷气团接触的罐体表面在迅速接触到热气团后，会造成罐体表面迅速升温，罐体表面的材料就会产生膨胀效应，但受限于板材限制无法膨胀，就会转变为较大的内应力，这一应力就是温度应力。从实际情况来看，压力降低，体积膨胀，温度也会降低，考虑到热传递的影响，汽缸内温差很难超过100℃左右，在分析计算中考虑温度应力可能出现的最大值即可[1]。

在高温管壓力升高或低温管压力降低时，原先低温气团存在的区域就会被高温气团取代，罐体表面迅速升温，产生温度应力，应力拉伸变为压缩。而当低温管压力升高或高温管压力降低时，原先高温气团存在的区域被低温气团取代，温度较高的罐体表面会降低，罐体材料出现收缩趋势，而周围材料的限制导致无法正常收缩，温度应力再次出现，产生拉伸应力。在反复拉伸和压缩状况下就会产生交变应力，从而出现裂纹。从具体裂纹分布来看，在低温管附近的裂纹要多于高温管附近的裂纹，证明低温管位置受温度应力影响更大，裂纹深度和长度也更严重。

1.3金相分析

对分汽缸管道裂纹处取样进行进项分析。宏观金相可以看出主要断裂痕迹是从内壁向外扩展，断口沿晶开裂，少量穿晶开裂，而主裂纹附近有大量沿晶开裂的二次裂纹，尖端为沿晶分支裂纹，附近组织为铁素体、珠光体和少量魏氏体。晶粒度为7级。微观表现以沿晶分布特征。金相分析只能检测外观未腐蚀变形、未发生塑性变形等缺陷，以及主要裂纹的真实分布区域，对于是否由温度应力引起裂纹原因的判断依据不足，但可以有效排除其他一些引发裂纹的原因。

1.4能谱分析

通过电子显微镜扫描分汽缸低温管口与罐体开裂端口处试样，可以分辨出端口主要为沿晶端口，可见沿晶二次裂纹，在对断口处采用5%稀盐酸进行清洗后，沿晶二次裂纹没有明显变化。而采取X射线能谱仪对分汽缸裂纹表面进行元素种类和含量分析，经裂纹分析检测发现，裂纹内壁及断口表面虽然存在一定量元素，但都属于分汽缸内正常沉积的混合物，而分汽缸内残余水蒸气结晶物较多，在非腐蚀作用下，只能是温度变化导致水蒸气的大量产生，可以凭借能谱与显微镜分析得出导致分汽缸出现裂纹的主要原因是温度变化产生的温度应力。

2分汽缸泄漏及裂纹原因综合分析

在诸多分析后，可以得出在交变应力作用下，根据疲劳失效理论，在金属中位置不利或较弱晶体会选择最大剪应力作用面形成滑移带，滑移带开裂后形成的沿晶裂纹便是交变应力作用下产生的，裂纹如果长期处在这一状态下，就会发生开裂、泄漏等问题。不过，除了高低温管附近有明显缺陷裂纹外，还有个别裂纹分布在分汽缸内部，包括纵焊缝、受力位置。这些位置也是容易受到交变应力集中的区域，是容易发生裂纹的位置。究其原因可能是由于气体运动较快，温度很难快速平衡，气团交汇产生的漩涡会分布到容器的各个角落，其中较为密集的区域也会产生裂纹，这也是受到温度应力的作用而产生的。

3多汽源高温差分汽缸使用建议

3.1温度应力处理

温度应力导致的交变应力所产生的裂纹或泄露现象处理，在设计多汽源高温差分汽缸时，应当避免两个汽源使用同一分汽缸，若确实需要共同使用，则两个汽源应当远离设置，并且在分汽缸内设置内件，防治高低温蒸汽频繁交汇引发温度应力问题。尽可能让蒸汽在分汽缸容器中心部位进行温度平衡，或是让压力平稳变化。另外，在温度应力低于疲劳极限，或是温度差小于高低温管传递参数，可以不用考虑温度应力对分汽缸罐体的影响。

3.2加强安装质量

在压力管道的设计安装过程中，需要严格按照相关技术标准和规范要求，不得因设备需求而随意降低技术标准，避免产生不安全因素。对于具有温度应力的多汽源高温差分汽缸设计时就要在最低位设置相应的管道和设备技术措施，来避免温度变化过快，或是就分汽缸内部罐体材料进行处理，使材料能够应对温度应力带来的拉伸和压缩变化。

结论：综上所述，在分析多汽源高温差分汽缸造成出现裂纹及泄漏的原因后能够明确分汽缸在多汽源情况下会因为高温差变化带来温度应力，从而引发交变应力，致使分汽缸罐体容器内部出现裂纹。对于此种情况和问题，需要加强对高温差变化带来的影响，降低汽缸内部产生热疲劳效应，保障分汽缸的使用寿命。

参考文献：

[1]胡利晨，陈文飞，胡炜炜，等.中压分汽缸材质裂化案例分析[J].中国特种设备安全，2020，36（05）：76-80.

作者简介：

丁志浩，男;出生年月：1993.2.28;籍贯：山东省招远市;民族：汉;最高学历：大学本科;目前职称：助理工程师;研究方向：特种设备检验、检测。