摘要：发电厂的管道是热力系统的重要组成部分。按照一定的流程，通过管道把电厂的主、辅设备连成一个整体，以满足生产的需要。管道对电厂的安全性和经济性有着重要的影响。管道在输送介质过程中，工质的泄漏、散热以及压力损失都直接影响着电厂的经济性。电厂管道的阀门是通过改变内部截留面积而控制管路内介质流动的管路附件，它在动力装置中有着重要的作用。输送流体介质离不开管路，而控制流体介质则离不开阀门，阀门在热电厂的所有传送液体、气体介质的管路上均有设置。因此，在热电厂中，阀门的数量很大，而且种类繁多，是很重要的设备。阀门的安全和热电厂的安全运行关系甚密，从以往的热电厂发生事故的统计材料来看，因阀门故障而引起的事故占有相当大的比重。本文分析了高温高压管阀裂纹的相关内容。
关键词：高温高压管阀；裂纹；
电厂管阀是用来改变管道通路断面以实现关闭、开启，或调节管路系统输送介质的流量及其它介质参数，以实现管道系统正常运行的装置。阀门的外泄漏不但造成工质的损失，而且对周围的设备及人员构成事故隐患，影响发电机组的安全、经济运行。
一、高温高压管阀裂纹分析
1.管阀材料耗损造成的裂纹。管阀材料的耗损, 通常是由于渣粒和铁锈等固体物在蒸汽或水的紊流作用下造成的。设v为管中( 圆管) 流体的平均流速D 为圆管直径, v为流体运动的粘滞系数,Re 表示雷诺数。则有:，试验表明: 当雷诺数Re较小时, 流体保持直线运动, 此时的流态为层流, 当雷诺数Re较大时, 水不再保持直线流动, 而是在进入管道后不久就同周围水体混合, 从而形成紊流,在紊流状态下, 流体除了沿着管道流动外, 还在垂直于管道轴线方向上运动, 使得水体发生混合, 实验表明, 当雷诺数Re<2300时, 流体流态为层流, 当雷诺数Re>2300时, 流体就成为了紊流, 紊流是一种极为不稳定、扰动剧烈的流态。由于它的强烈扰动破坏了原附于内壁的稳定层流, 使管内壁直接暴露在紊流的强大冲蚀下, 从式中可知: 当D、v,保持不变时, 如果流速增大,Re就会随之增大, 当Re的值增大到大于2300时, 流体就会由原来的层流状态发展到紊流状态, 由于紊流的强烈扰动, 使得管内壁的磁性氧化铁保护层难以形成(磁性氧化铁保护层在层流状态下极易形成, 因为层流状态下流体的运动极为稳定, 保护层的形成过程不会遭受破坏)。管内壁就直接受到紊流连续不断的冲蚀, 管壁就会不断减薄, 使管道横截面积减小。故在检修施焊过程中, 要提高焊接的工艺水平, 严禁焊接时在焊口处管内留有焊瘤,另外在管道的布置、安装中尽量减小管子的变径现象, 以减少紊流发生的机率。
2.焊接及热处理工艺不良引起裂纹。在管道, 阀门的检修过程中, 由于焊接
时, 焊接表面咬边焊缝凸起及类带焊渣或焊口热处理不良, 都会导致裂纹的产生, 同时个别授盖层焊道因过于粗糙, 也会产生裂纹。当焊接的焊口出现咬边, 或焊缝凸起时,在咬边或凸起的焊缝与管道交界处产生应力集中。由于产生了应力集中, 在咬边、焊缝凸起, 及焊道过于粗糙处就会产生微观裂纹, 在外应力和应力集中的共同作用下, 微观裂纹就会扩展为宏观裂纹, 从而导致管道在焊接
咬边处或凸起处产生裂纹。同时在焊接后需要热处理的管子上, 由于热处理不良, 焊接时残余应力不能彻底消除, 也会使管道外层的加热比内层快得多, 这时外层要求膨胀, 而内层就会阻碍外层膨胀, 于是外层产生压应力,内层产生拉应力。这样就会在被加热的管子的焊口处产生残余应力, 当残余应力与热应力共同作用的应力超过管子的极限应力时,就会引起管子或其焊口产生裂纹, 因此在施焊过程中要注意提高施焊工艺及施焊水平,同时要严格执行热处理有关规程。
3.机组颇挤启停造成的裂纹。锅炉的频繁启停造成的管阀裂纹其危害性也是十分巨大的。当锅炉启动或停运时, 对于厚壁的管道阀门来说, 当介质温度急剧变化时, 管阀内壁也随之变化, 但由于管道及阀门太厚, 就会造成内外较大的温差, 由于内壁温度高就会使内壁产生压应力, 而外壁温度低就会产生拉应力, 在内壁产生压应力和外壁产生拉应力的同时作用下, 沿管壁厚方向形成热应力, 当热应力大于金属的极限应力后, 管道、阀门壁就会产生裂纹的原因。另外机组启停所产生的凝结水也是造成管道、阀门产生裂纹的重要原因。当管道布置复杂阀门结构形状复杂、或管路间歇运行时,在机组启停过程中, 管道、阀门内就会积存凝结水, 当启动后, 蒸汽就会对原有的凝结水产生冲击, 从而使管道、阀门产生剧烈的振荡,当振幅达到一定程度时, 就会使管道的焊口或阀门与管道的连接焊口被拉裂而产生裂纹。另外由于凝结水的存在, 使管道产生应力也是一个值得注意的间题。当机组启动后,由于凝结水温度低, 当启动后管壁逐渐升温时有凝结水的一段因凝结水的存在而造成此段温度上升比其他部位慢得多, 从而形成了明显的温差, 形成了热应力, 当热应力的值大于材料的极限应力值后也会造成管道阀门出现裂纹。另一方面，密封面宽度增加，要加大密封所需的作用力。因此，选择合理的密封面宽度及密封型式非常重要。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，不但壁厚而且结构和形状复杂, 故在机组启停过程中, 在其内部凹槽内易形成凝结水, 待锅炉启动后, 就会造成管道、阀门的剧烈振动和热应力, 最终导致裂纹的产生。
4.弯管的有制和热处理工艺不良引起的裂纹。在锅炉的汽水管道上, 存在着大量弯制并经热处理的管道。当管子在弯制时, 由于弯制方向发生扭转或之后的热处理工艺不良,就会造成附加应力, 这种应力的强度持久不下, 在运行过程中, 从弯管外侧到内侧, 整个弯管的持久强度是逐渐减弱的, 当运行中的热应力及管子的振动等外力共同作用在弯管上时, 被破坏的金属组织非常脆弱, 极易遭到更大的破坏, 而产生裂纹, 所以在弯管时, 要特别注意, 不要在弯制方向上发生扭转. 同时要提高热处理水平。在压力管中运行的流体, 由于阀门的突然开启和关闭, 使得流体的速度和动量发生急剧变化, 从而引起流体压强的骤然变化, 这种现象称为水击, 水击所产生的增压波和减压波交替进行, 对管道或阀门的作用有如锤击一样故又称为水锤, 由于水击而产生的压强可能达到管子中原有正常压强的几十倍、几百倍, 甚至上千倍, 而且增压和减压交替频率很高, 危害很大, 严重时就会致使管子, 阀门产生裂纹。水击的危害是很大的, 只有减弱水击的发生才能降低因水击而产生的管阀裂纹, 可通过增加管路阀门的开启或关闭时间, 管路中装设安全瓣等方法减少水击发生。
二、高温高压管阀裂纹检修要点
1.管阀检修的一般准备工作。在管阀进行检修前一定要指定检修计划，先根据以往的检修记录、金属监督检验报告、设备的运行小时数，以及运行故障记录等资料，确定本次检修的工作项目，主要确定特殊项目，并提出材料预算、备件购置计划、加工件计划以及工时计划，同时指定技术措施，安全措施，施工方案和技术验收标准等。在管阀检修前还一定要进行管子及管道相关附件使用前的检验。
2.高压管阀的一般检修。一般发电厂使用的高压阀门与管道的连接经常采用焊接连接，而不采用法兰连接，这种连接方式的优点是密封性可靠，不泄漏，比法兰螺栓连接经济，但是拆卸不方便，阀门检修只能在现场进行，也无法单独进行水压试验。在焊接的时候，由于阀壳厚度比管壁厚度厚的多，会使对口和焊接发生困难，所以有的阀体制造厂在阀门上采用预焊过渡段与管道的材料相匹配，过渡段一般采用锻钢件。高压管阀在结构上和一般的中低压管阀并没有太多的区别，只需根据压力温度的不同选择合适的阀体和密封面材料。因此高压管阀的检修项目、程序、密封面的研磨，质量验收标准都可以参照中低压管阀，所不同的是高压管阀大多随着锅炉一起进行管压试验，其严密性只能根据汽水系统的特点和流程来判断。比如具有两道门的疏放水系统，可以分别关闭一次门或者两次门，以分别检验两道门的严密情况。
3.安全阀的检修。安全阀是锅炉的安全保护装置，当锅炉管路或者容器内的介质的压力超过规定数值的时候，安全阀可以自动开启，排除过剩的介质，将压力降低，使设备免遭破坏；当压力恢复到规定述职的时候，安全阀又可以自动关闭。在大型高压锅炉中，采用的较多的是脉冲式安全阀和带有外加负载的弹簧式安全阀，比如在国产的亚临界压力的直流锅炉上，装有15个弹簧式安全阀。安全阀在进行冷态校检的时候，应由专人控制高压给水进入校验台的入口阀，防止阀开的过大，超压过多。开门的时候应该慢慢地开，均匀得升压，避免高压给水烫伤工作人员。在热校验的时候，当压力超过锅炉工作压力的时候，工作人员应站的远一些，以防止蒸汽喷出，烫伤人。热校验应统一指挥，各司其职，避免人多混乱，出现不安全的问题。
4.大修时的处理。裂纹处理后已安全运行了近一年, 后利用装置大修的机会, 进行了彻底处理。一是对管座和放空管整体更换, 严格按照焊接规范施工, 保证焊接质量, 彻底消除热应力。二是对放空管道进行改造, 重新布置, 在水平管段上, 增加一台膨胀节, 并在出口设置消音器。安装过程中保持管道处于自由状态, 不受多余的外力。处理此处裂纹, 有以下几种方法可供选择:一是直接补焊裂纹:由于泄漏量较大, 直接补焊将非常困难;二是制作卡具带压堵漏:放空管与主管线之间设有管座, 加上焊缝存在, 形状不规则, 胎具加工困难且不易安装;三是采用导引管过渡:将与放空管同样规格、材质的一段管子作为导引管, 先在一端焊上一台阀门, 另一端与原管线吻合好, 导引管对准裂纹安置好后, 将导引管与裂纹处管线焊接在一起, 关掉阀门即可消除该泄漏点。
高压管道在原始设计时应考虑温度变化对管道的影响, 消除产生裂纹的根源。关键是要做到科学筹划、科学施工, 保证设备安全和人身安全, 这样才能取得良好效果。
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论文作者:杨宏斌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/15
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