1、动力管道检验专题,江苏省特种设备安全监督检验研究院 缪春生,目 录,1、概述2、在高温长期运行金属材料性能和组织的变化（材质劣化）3、检验案例,1、概 述,动力管道的运行特点： （1）与锅炉系统相连，其失效不仅限于管道本身的失效，同时与锅炉的运行相关如水处理、除氧过程。（2）高温下运行，材料性能和金相组织的变化。（3）结构与强度的问题相当特出。一次膜应力、温差应力（二次应力）、应力松驰等（4）分类问题,1、概 述,1、概 述,1、概 述,2、在高温长期运行金属材料性能和组织的变化 2、1 珠光体球化与石墨化,珠光体钢的正常组织是由珠光体晶粒与铁素体晶粒组成。珠光体晶粒中的铁素体及渗碳体是呈薄片
2、状相互间杂的。而片状珠光体是一种不稳定的组织，其中的渗碳体有自行转变成球状并聚集成大球团的趋势。这种球化过程是以扩散为基础的，当温度较高时，原子的活动力增强，扩散速度增加，片状渗碳体便逐渐转变成球状，再逐渐聚齐成大球团。这种现象即称为珠光体的球化。 石墨化：低合金钢在高温、应力长期作用下，珠光体内渗碳体分解出游离石墨的现象。珠光体球化分级,2、在高温长期运行金属材料性能和组织的变化 2、2 蠕变损伤,蠕变损伤是指金属部件在一定的温度和持续应力作用下产生缓慢的蠕变变形，由此导致金属材料微观组织和宏观组织的不连续性，例如蠕变孔洞和蠕变裂纹等，以及蠕变强度下降的现象。 蠕变损伤评级可按单个蠕变孔洞、
3、方向性蠕变孔洞、链状蠕变孔洞、微观蠕变裂纹和宏观蠕变裂纹等级别评定。,蠕变孔洞的形成： a) 晶界是优先生成蠕变孔洞的部位，晶界上析出的碳化物和其他杂质都能促进蠕变孔洞的形成。 b) 蠕变孔洞多发生在与最大主应力轴垂直或成一定角度的晶界上。 c) 蠕变孔洞外形轮廓圆滑，多呈圆形或椭圆形。,蠕变损伤评定，蠕变损伤检查方法按DL/T551-1994低合金耐热钢蠕变孔洞检验技术工艺导则规定进行。,2、在高温长期运行金属材料性能和组织的变化 2、3应力松弛,金属材料长期在高温和较高应力状态下,如果维持总变形量不变,随着时间的延长,应力逐渐降低的现象称为应力松弛。在松弛过程中，虽然总变形不变，但弹性变形
4、将逐渐转变为塑性变形，从而使材料中的应力随时间而降低。因此，金属材料的松弛过程，实际上就是金属材料在高温下弹性变形转变为塑性变形的过程。 低碳钢、低合金钢，在高温下均产生应力松弛现象。,对于低碳钢，塑性应变速度与应力呈线形关系，在不同总应变时的图线斜率近于相等。,对于低合金钢，塑性应变速度与应力的关系可分为两个阶段。在松弛的第一阶段，塑性应变速度不仅与应力有关，而且与总应变有关；在松弛的第二阶段，塑性应变速度仅与应力有关，而与总应变无关。由此可见，由于附管部件与管道的材质不同，在高温下应力松弛时的塑性应变速度不同，从而造成这二者之间变形不协调而形成撕裂裂纹。,3、检验案例 3、1 检验要点,动
5、力管道的全面检验按照在用工业管道定期检验规程（国质检锅（2003）108号）和电站锅炉压力容器检验规程DL 647-2004的相关规定进行。 主要检验项目有：外表面宏观检查、壁厚测定、表面无损检测、超声波检测、硬度检验、金相分析、光谱分析、椭圆度测量、蠕胀测量、安全保护装置检验以及支吊架检验及调整等。 在动力管道检验中尚应当注意：瞬时超温现象和热疲劳现象（见后图）,介绍某电站锅炉的事故案例,瞬时超温管道的破坏,热疲劳裂纹,过热与疲劳联合作用下的破坏,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（1）主要检验项目,检验项目及检验比例,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（2）硬度异常及焊接接头内部裂纹,
6、某电厂锅炉主蒸汽管道，于2005年8月投入使用，已累计运行约3万小时。该管道自过热器出口集箱起，至主汽门止。 其参数为：,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（2）硬度异常及焊接接头内部裂纹,分析： 该管道长期处于高温下（541，3万小时）运行，可能产生蠕变、材料劣化。在检验中应重点蠕胀测量；进行硬度检验和金相抽查；对硬度有怀疑的部位，应进行金相检查； 该管道在锅炉停炉时的冷态到锅炉运行时的热态,存在较大的温差,有可能发生管系的变形。在检验中应重点进行支吊架的检查，对整个管系进行宏观检查，对水平管段的位移进行测量； 材质为P91钢，属于马氏体钢，具有一定的冷裂倾向，应重点检查焊缝是否存在延迟裂
7、纹等缺陷；,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（2）硬度异常及焊接接头内部裂纹,1、检验结果 2、讨论,关于硬度检验的讨论： 硬度不应作为强度和金相组织是否合格的唯一依据。主要是测量误差和硬度指标的离散性。 当出现硬度值异常时，应进行金相试验和光谱分析，以确定组织变化和强度变化情况,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（2）硬度异常及焊接接头内部裂纹,3、焊接接头发现裂纹30号焊接接头内部存在裂纹4、可焊性分析,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（3）主蒸汽管道吊架附管部件角焊缝撕裂及材料劣化,某电厂锅炉主蒸汽管道，于1988年7月投入使用,累计运行时间约15万小时。该管道自过热器集箱后主
8、汽阀1起，至主蒸汽母管前主汽阀2止。,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（3）主蒸汽管道吊架附管部件角焊缝撕裂及材料劣化,1、检验结果 2、吊架附管部件角焊缝撕裂原因分析,吊架附管部件材质一般为低碳钢，管道材质为低合金钢由于附管部件与管道的材质不同，在高温下应力松弛时的塑性应变速度不同，从而造成这二者之间变形不协调而形成撕裂裂纹。,启示1附管部件与管道的连接,支吊架一般可以分为三部分，即附管部件、生根部件和中间连接件，其中附管部件与管子的连接最为重要。一般情况下，附管部件与管子连接有两种方式，即直接焊接或管卡连接。 下列情况下，附管部件不能与管子焊接。 1）管内介质温度等于或大于400的碳素
9、钢管道：因为碳素钢一般不进行焊后热处理，应力松驰使得金属不稳定而造成焊缝拉裂。 2）低温管道：对于低温管道，如果采用焊接结构，会由于金属传热较快而造成较大的冷量损失，因此，对于低温管道一般应选用管卡型式，且管卡在保冷层的外层。 3）高空架设备的合金钢或有热处理要求的管道 4）非金属衬里管道，镀锌管道等防腐蚀复层的不宜采用焊接附管。,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（4）主蒸汽管道变形分析,某电厂锅炉主蒸汽管道，于1991年投入使用，累计运行时间约10万小时。该管道自锅炉主蒸汽阀起，至主蒸汽母管止,2002年3月经检验发现一段管道（3# 和4#吊架附近）存在明显的变形，经实地观测，该管段竖直
10、方向最大相对位移达到180mm，后经分析认为4#恒力弹簧吊架已经变形卡死，故将4#恒力弹簧吊架的弹簧更换。,3和4#吊架的附近管段变形加剧，竖直方向最大相对位移达到204mm。,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（4）主蒸汽管道变形分析,变形分析： 第一种情况：仅有热膨胀，支吊架荷重取设计值； 第二种情况：热膨胀和内压共同作用,支吊架的荷重取设计值； 第三种情况：根据以上两种情况的分析对支吊架荷重进行调整，然后计算； 第四种情况：基于前三种情况，考虑管线服役过程的蠕变； 第五种情况：考虑超温的情况； 第六种情况：综合以上分析，找出管线变形的原因，提出整改措施，并对整改后的情况进行模拟。,3、
11、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（4）主蒸汽管道变形分析,边界条件：在锅炉出口及母管三通处设为固定约束(六个自由度均限制)，另外有两处穿过厂房墙体，限制两个自由度，即X方向和Y方向的自由度 计算软件采用大型的ABAQUS商用有限元软件 变形计算结果,3、检验案例 3、3低温再热蒸汽管道弯头表面裂纹,某电厂锅炉低温再热蒸汽管道，于2005年1月投入使用，累计运行时间约3.5万小时。该管道自高压缸排汽口起，至再热器进口集箱止,3、检验案例 3、3低温再热蒸汽管道弯头表面裂纹,检验结果及分析,经磁粉检测发现弯头（W7、W11）外弧外表面存在大面积裂纹。,对裂纹附近和外弧完好部位进行了现场金相检验。发
12、现： 裂纹附近晶粒相对粗大，为轻度球化，弯头外弧完好部位未球化,热压无缝弯头,3、检验案例 3、3低温再热蒸汽管道弯头表面裂纹,热推工艺介绍:热推弯头成形工艺是采用专用弯头推制机、芯模和加热装置，使套在模具上的坯料在推制机的推动下向前运动，在运动中被加热、扩径并弯曲成形的过程。热推弯头成形的示意图,1-模具 2-坯料 3-加热装置 4-正在成形的弯头,3、检验案例 3、3低温再热蒸汽管道弯头表面裂纹,其变形过程中的物理模型是：,3、检验案例 3、3低温再热蒸汽管道弯头表面裂纹,由金相检验结果可知弯头产生的裂纹类型属沿晶断裂。 裂纹沿着晶界扩展。一般形成沿晶断裂的原因有如下几种：如果热加工工艺不当，造成杂质元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相、或因温度过高使晶界弱化、或因环境介质沿晶界浸入金属基体等因素出现时，晶界的键合力被严重削弱，往往在低于正常断裂应力的情况下，被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂。 分析该弯头产生裂纹原因是在加工过程中，杂质元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相而形成微裂纹，在拉应力作用下缺陷耦合与扩展形成表面裂纹。,谢 谢 请批评指正,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（4）主蒸汽管道变形分析,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（4）主蒸汽管道变形分析,3、检验案例 3、2 主蒸汽管的检验（4）主蒸汽管道变形分析,
