材料失效分析

课程（论文类）试卷

2017 —2018 学年第2 学期

课程名称：材料失效分析与寿命评估论文题目：主蒸汽管道失效分析

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主蒸汽管道失效分析报告

摘要：随着我国对电力需求的日益增长以及机电设备的复杂化,相应的对机电

设备可靠性和安全性的要求越来越高,开展机电设备的失效与预测分析对提高企业的经济效益和技术管理水平具有十分重要的意义。以蠕变性能作为设计指标的主蒸汽管道是发电厂的关键部件,由于长期在高温高压的恶劣工况下运行,容易发生材质老化和损伤积累,突发性事故也会频频发生,给企业职工的生命安全和国家财产带来严重威胁,因此对主蒸汽管道进行失效分析与寿命预测尤为迫切和重要。本文作者结合工程实例,对主蒸汽管道的失效模式、影响运行寿命的主要因素以及寿命预测的方法进行了较为系统的分析,为发电厂主蒸汽管道的寿命管理提供了理论依据和分析方法,以达到预防和降低事故、减少损失的目的。

关键词：失效分析，寿命，预防

1.失效现象描述

按照原国家劳动部颁布的《压力管道安全管理与监察规定》，主蒸汽管道属于压力管道[1]的范畴。在电力系统或在其它工业企业内，由于主蒸汽管道相对其主体设备结构显得简单，在设计、制造、安装、检验、运行、维护与检修等各个环节对其重视不够，不同程度地还存在着一些技术问题。在我国，压力容器与锅炉安全管理已建立有较完备的安全保证体系，质量技术监督部门与各主管部门都有相应的管理规范，近年来其事故的发生已大为减少。但压力管道的安全管理尚有不少漏洞，管道事故[2]时有发生，造成的经济损失和人员伤亡事故仍相当严重。原劳动部职业安全卫生与锅炉压力容器监察局曾组织调查组专题调查压力管道安全状况，从所整理的240例(其中40例为国外案例)压力管道事故中可以看出问题的严重性，其中124起发生人员伤亡，共死亡184人，伤296人，直接经济损失3000多万元，因停产等因素造成的间接经济损失更为惊人。电力系统对高压、超高压蒸汽管线管理较为严格，水电部从20世纪60年代开始，就对工作温度大于或等于450℃或工作压力大于5.88MaP的蒸汽管道和部件开展了金属技术监督工作，并于1991年颁布了《火力发电厂金属技术监督规程》[3]。电力系统整个管理系统比较严格，设计、制造、安装均由电力部进行资格认可。重要管道、管件从国外进口，国内产管道、管件均由电力部定点生产。在组织体系上，电力部有锅炉压力容器安全监察委员会，各网局[4]设锅炉压力容器检测中心、焊工培训中心。各电厂有金属技术监督车间和金属技术监督员。在火电厂的高温、高压管道事故相对较少。中低压管道由于技术管理工作不够严格，事故相对较多，主蒸汽管道失效所造成的危害十分严重。

2.背景描述

xx石化厂的晴纶厂曾两次发生用于供热的蒸汽管突然爆炸的事故，爆炸部位是在管道弯管固定架附近的管子环焊缝处，管材为C3(炉特类碳素钢)，断口平整，整个环焊缝沿壁厚有1/3-1/2未焊透，在环焊缝断口上还发现有一长200mm，深3-4mm的半椭圆裂纹；xx石化厂主蒸汽管曾连续四次发生膨胀节断裂事故，严重影响了正常生产；xxx发电厂主蒸汽联络门发生断裂事故，9.8MPa的高压蒸汽瞬间喷出，将一名操作人员摔向地面，抢救无效死亡，整个厂房的玻璃也全部粉碎；xxx热电厂发生了因管材缺陷导致运行中重油母管爆裂起火的事故，造成12

号锅炉钢结构被烧后严重变形，炉体后倾约10，后移5.3m，汽包下降2m，己无法修复，同时烧塌了控制室和大量电缆、仪表等设备，大火中窒息死亡4人经济损失近千万元。XX电厂1号机组曾发生启动过程切分刚结束时，导汽管突然爆破该蒸汽管水平部分裂开一个大喇叭口，喷出的高温蒸汽将二名操作人员严重灼伤，其中一名经抢救无效死亡，该厂还发生了主蒸汽管焊缝处因焊接质量不良引起了爆裂事件。由此可见主蒸汽管道失效的危害之巨大，开展对主蒸汽管道开展失效分析与寿命预测的研究具有十分重要的意义。

3.失效分析过程

（1）主蒸汽管道的韧性失效

韧性失效[5]是主蒸汽管道在压力的作用下管壁上产生的应力达到材料的强度极限，从而发生断裂的一种失效型式。发生韧性失效的管道，其材料本身的韧性一般是较好的，失效往往是由于超过强度极限而引起的。主蒸汽管道的韧性断裂是裂纹的发生和扩展的过程。在主蒸汽管道在制造过程中可能在金属材料晶体中留下显微裂纹，在金属的塑性变形中这些裂纹将得到扩展，当材料发生大量塑性

变形时，材料内部夹杂物中或夹杂物与基体界面上会形成显微空洞，随着塑性变形的增加，显微空洞长大并聚合，其边缘上的应力达到材料的极限强度，金属即发生断裂。主蒸汽管道在屈服后的升压过程中，在任意点卸压时均会留下较大残余变形。

（2）主蒸汽管道的脆性失效

主蒸汽管道脆性是指管道破坏时没有发生宏观变形，破坏时的管壁应力也远未达到材料的强度极限，有的甚至还低于屈服极限。脆性破坏往往在一瞬间发生，并以极快的速度扩展。这种破坏现象和脆性材料的破坏很相似，故称谓脆性破坏。又因为它是在较低的应力状态下发生的，故又叫做低应力破坏。脆性破坏的基本原因是材料的脆性和严重缺陷。前者可因焊接和热处理工艺不当而引起，后者包括安装时焊缝中遗留的缺陷和使用中产生的缺陷。此外，加载的速度、残余应力、结构的应力集中等都会加速脆断破坏的发生。主蒸汽管道的脆性破坏的主要原因是材料的缺陷，特别是以裂纹性缺陷引起的事故所占的比例最高。管道在焊接时不可避免地带来许多缺陷，如夹渣、气孔、未焊透及裂纹等。裂纹是一种最危险的缺陷，由于它是一种平面型缺陷，在裂纹的尖端存在着严重的应力集中，且往往与最大主应力相垂直，因此最容易引起低应力脆性破坏[6]。

（3）主蒸汽管道的高温失效

在室温时，钢的组织性能是稳定的，但主蒸汽管道都是长期在高温及应力的条件下运行，由于原子扩散过程的加剧，钢的组织将逐渐发生变化，从而引起钢的性能发生改变，特别是对钢的高温强度和塑性产生不利的影响。作为主蒸汽管道的耐热钢在高温时将不可避免的发生高温氧化，同时其组织也表现出以下四种变化[7]:①石墨化；②珠光体的球化和碳化物聚集；③合金元素在固溶体和碳化物之间重新分配；④时效和新相的形成。

（4）主蒸汽管道的疲劳失效

主蒸汽管道的疲劳失效是指管道长期受到反复加压和卸压的交变载荷作用出现金属材料的疲劳产生的一种破坏形式。疲劳破坏时一般没有明显的塑性变形;从形式上来讲与脆性破坏很相似,但其原因和发展过程却不同。

（5）主蒸汽管道的蠕变失效

在一定的高温环境下，即使钢所受到的拉应力低于该温度下的屈服强度，也会随时间的延长而发生缓慢持续的伸长，即发生钢的蠕变现象。各种材料产生蠕变的温度界限各不相同，碳钢和低合金钢超过300-400℃，即应考虑蠕变破坏问题。CresesNi合金钢则具有较好的抗高温蠕变性能[8]。

通常材料的使用温度不高于它的熔化温度的25%-35%，则可不考虑蠕变的影响;材料发生蠕变破坏时具有明显的塑性变形，变形量的大小视材料的塑性而定。

4．失效分析结论

主蒸汽管道失效分析与寿命预测是我国电力行业的一个十分重要的研究课题。主蒸汽管道长期运行在高温高压介质频繁变化的工况下，容易发生重大的事故[9]。开展主蒸汽管道失效分析与寿命预测的研究，掌握其失效规律，对其寿命进行预测，是确保发电厂安全平稳运行，避免人身伤亡及设备毁坏事故，降低经