火电厂四大管道主阀门缺陷形成及损伤行为分析

火电厂四大管道主阀门缺陷形成及损伤行为分析

郝光辉 ,张燕昆

河北国华定州发电有限责任公司  073000  河北省定州市

摘要：四大管道主阀门的服役性能，将会对火电机组的运作带来直接影响，服役时，主阀门容易出现不同缺陷问题，使火电机组运作存在安全风险。文章将分析火电厂四大管道主阀门的缺陷问题与损伤行为，以期为业内工作者提供可靠依据。

关键词：火电机组；四大管道；主阀门；缺陷形成；损伤行为

阀门作为火电机组用于调控锅炉压力管道、汽轮机供汽蒸汽参数的主要零部件。因火电机组长期处于高温高压下运作，且调峰十分频繁，在役阀门的安全可靠性能前提下，将会对火电机组整体运作发挥着积极作用。火电发电厂的四大管道常用于现役主阀门，例如堵阀、安全阀、主汽阀门、中压与汽门等在高温高压的环境下服役过程中，常常会面临着机械振动、磨损、氧化腐蚀、应力波动等客观情况，其内部制造缺陷、微观组织容易出现老化现象，导致阀门力学性能减弱，出现孔洞、裂纹等问题，使阀体存在泄漏、开裂的可能性。这些阀门在服役过程中，如若失效会给火电厂带来不可挽回的损失，危害工作者的生命财产安全。

一、主阀门的运作原理分析

堵阀作为装置于锅炉过滤器出口与再热器进出口蒸汽管道上，是一种静态水压试验的隔离系统；水压试验之后，将堵板、支撑板等内件拆除，同时装入导流套，让管道保持平稳状态。

安全阀作为锅炉压力容器与管道内的主要自动阀门，是一种安全附件，可以有效保护锅炉管道系统的重要承压仪器与容易瞬时超压的仪器，以免其超压服役出现损毁。主要运作原理就是：如若阀体中的压力升高到起跳压力的情况下，内部阀门会自动启动，将多余介质排放至大气之中，确保压力容器与管道系统安全运作。

高压主汽阀作为锅炉主蒸汽进到汽轮机做功的首道阀门，能够在紧急情况下快速关闭，从而将主蒸汽汽源被迫切断，以避免汽轮机出现超速等情况。

中压联合汽阀包括两个部分，即中压主汽阀与中压调节汽阀，两阀共同应用一个壳体、腔室与阀坐，阀碟以上下串联方式布置。中压调节阀能够对中压进汽量、危机遮断系统加以控制，而中压主汽阀只能紧急遮断。

二、阀门部件损伤与失效行为分析

1、堵阀部件的损伤与失效行为

堵阀阀体因壁厚比较大，在铸造成型与服役期间，内外表面会形成明显的温差，在阀体内会形成显著的热应力，对堵阀形成、服役性能带来不利影响。根据相关研究指出[1]，堵阀金属液在铸型内部凝固收缩时，表面与内部形成的铸造应力，会超过此时材料本身的强度极限，以至于铸造堵阀出现开裂情况，形成沿晶扩展的热裂纹、穿晶扩展的冷裂纹等。铸造堵阀在服役期间，会根据锅炉启动停止与运作参数的变化，使阀体中的热应力持续升高。堵阀之中的部分原始缺陷，例如微裂纹、气孔等，会受热应力影响，出现扩展，且形成宏观的裂纹，使铸造堵阀开裂失效。锻造堵阀在热加工变形过程中，如加热不均、终锻温度过低，会降低塑性能力，导致锻造裂纹形成；或者由于加热、冷却速度比较大，会形成显著的热应力，引发裂纹缺陷。针对铸钢堵阀与锻造堵阀来讲，为了有效消除加工内应力，确保工件外形符合要求，形成平稳性良好的组织，且调节力学性能，一般会对堵阀展开时效处理。

2、安全阀部件损伤与失效行为

    安全阀长期处于高温高压情况下服役，其合金材质也会出现老化问题，例如碳化物球化、晶界粗化，严重情况下会形成蠕变孔洞，以至于阀体力学性能减弱。随着运作时间不断延长，蠕变孔洞也会持续聚集长大，产生微裂纹。特别是安全阀由于工质问题，而出现颤振的情况下，此种变化会加速演化过程，导致宏观裂纹形成。除此之外，安全阀在特殊的腐蚀环境下，还会出现应力腐蚀开裂情况。一旦应力腐蚀后，其外观通常没有显著的塑性变形或者腐蚀情况，但是已有裂纹形成；此种裂纹发生速率常常无法预测，危险性较高。应力腐蚀作为材料受拉应力与含有氢离子腐蚀介质相互作用而形成的脆性破坏，火电厂环境下的腐蚀介质通常源自于大气中一氧化碳与二氧化碳的混合气等，这些气体经过保温层聚集于安全阀表面和附近水蒸汽相互混合，能够形成一层薄膜。在电化学腐蚀期间，氢离子和金属产生反应，得到氢原子，因其原子半径比较小，容易在金属内扩散且聚集在晶格缺陷与微裂纹等位置，提高材料的脆性。安全阀表面或者次表面自身有一些微小缺陷，如若应力腐蚀启动，这些缺陷问题也会愈发明显，导致宏观裂纹形成。

3、主汽阀部件损伤与失效行为

    因早期凝固技术水平相对有限，主汽阀壳腰部的热节区域无法获得补缩，成型之后容易出现缩孔、疏松等问题。这些问题的形成，不仅会使阀体的负载能力减弱，还会在缺陷尖端位置产生应力集中，服役期间在外部应力的影响下形成裂纹源。主汽阀中还面临热处理技术不合理，组织粗大，形成富铜相、带状组织、夹杂物等原始问题，导致材料出现明显脆性，以至于主汽阀阀杆断裂。主汽阀结构设计或者制造生产不合理，局部位置有应力集中或加工缺陷的情况下，会使裂纹形成。部分主汽阀铸件内壁还存在未除尽的裂纹与补焊后形成焊接裂纹情况，在铸件试压期间，裂纹末端应力集中增强，如若铸件塑性与韧性比较弱，会在水压持续升高的情况下，铸件内壁裂纹会迅速扩展，出现开裂问题。

主汽阀服役过程中，阀壳外壁会有明显的温差，在机组起停与负荷变化时，容易形成热应力。在相关研究中[2]，通过探索火电厂调节阀阀门壳体的热应力和疲劳寿命，结论证实在稳态运作时，阀门壳体最大应力处于阀体内表面，达到46.72MPa；启停时温度变化速度为每小时200℃情况下，热应力最大值将达到976MPa，其分布位置正是部件中产生裂纹的部位。然而，在强热态启动工况的情况下，阀壳外壁所承受的拉应力明显大于阀壳内壁的压应力。利用有限元方法能够对复杂结构阀壳结构应力进行分析，相关研究指出[3]，阀壳在内压与热应力作用下的周向应力将达到294MPa；在此种交变应力的作用下，阀壳能够形成热疲劳破坏情况。主汽阀在服役期间，面临的工作应力主要在弹性范围之中，但是对于部分区域，例如孔洞、沟槽等，将在应力集中、应变集中等位置，依旧容易出现塑性屈服，导致塑性变形状态形成。特别在机组启停与加热处理时，主汽阀需要面临机械应力与瞬态热冲击所形成的热应力，两种应力相互叠加，能够形成周期性循环应力，以便使主汽阀出现低周疲劳变形与损伤问题。

4、中压联合汽阀部件损伤与失效行为

    因服役过程中的温度与压力比较低，中压联合汽阀的阀壳本体出现开裂情况，其部件损伤主要表现于杠杆销钉断裂、阀盖螺栓断裂、阀杆断裂等不同情况。在这些失效方式当中，应力集中影响作用明显，不仅会使构件中出现原始裂纹问题或者裂纹扩展，还能使构件在局部薄弱部位开裂，以至于其部件损伤与失效。材料老化作为中压联合汽阀的关键损伤与失效行为之一，阀门构件长期处于高温高压情况下，其晶界在外应力影响下，会产生氧化腐蚀反应，晶界结合力持续减弱。与此同时，晶界的碳化物也会不断演化，最终在晶界上出现持续氧化膜或者网状碳化物，形成裂纹的萌生部位，导致裂纹沿晶扩展。这些情况的发生，会使构件脆性提高，以至于裂纹出现。

结束语：

综上所述，火力发电厂四大管道主阀门成型期间的原始问题、结构设计的布局应力集中、服役之后材料老化，都会使阀门出现裂纹，以至于部件损伤。需要注重主阀门的铸造、锻造环节，以免原始问题的形成，特别是阀门的化学成分检验，控制硫、磷等有害元素标准，使金属夹渣、材料脆性断裂。四种主阀门还要加强重视腐蚀问题的防范，通过合理设计结构、加工工艺与热处理技术，尽量减少残余应力与应力集中情况。

参考文献：

[1] 刘星.锅炉管道铸造堵阀缺陷分析[J].中国航班,2019,02(14):1.

[2] 丁继超,何立东,张力豪.管道阀门腐蚀缺陷的热成像检测研究[J].机电工程,2019,36(6):5.

[3] 刘涛.降低锅炉阀门缺陷发生频次的措施[J].设备管理与维修,2020,03(07):2.