電站鍋爐堵閥表面裂紋分析及壽命評估預防措施

關鍵詞：堵閥；應力不均；流動性熱裂紋；補焊

中圖分類號：TK227 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）08-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.08.016

Abstract： [Purposes] This paper aims to analyze the problem of surface crack defects that often occur in the casting of blocking valves for power plant boilers，and provide theoretical basis for preventive measures and life evaluation of blocking valve surface cracks.[Methods] Taking the high-temperature cast steel valve body of the reheating section of a power plant boiler as an example，non-destructive testing， metallgraphic testing，hardness testing，chemical composition analysis and other tests were conducted. At the same time，ANSYS software was used to simulate and analyze the characteristics of the surface crack location， morphology expansion direction， metalographic structure，etc.[Findings] The results indicate that the crack is a fluid thermal crack under uneven stress dynamics.[Conclusions] In order to prevent surface cracks in valve blockages，it is necessary to optimize casting processes，avoid stress concentration，and strictly control welding heat treatment processes.

Keywords： valve blockage; uneven stress; fluidity hot crack; repair welding

0 引言

電站鍋爐主要承壓部件的失效方式包括疲勞、腐蝕、氧化、蠕變和斷裂等[1]。其中斷裂是影響材料瞬時壽命的主要因素。斷裂力學從材料或構件中存在宏觀裂紋角度出發，應用彈性力學和塑性力學理論，研究材料裂紋產生、擴展、失穩開裂。裂紋是產生斷裂的先決條件，當材料受外界作用力時，裂紋尖端會出現應力集中，形成應力場，其強弱程度可以用應力強度因子 K 確定。當外界拉應力增大或裂紋擴展時，裂紋尖端應力強度因子 K 也隨之增大， K 增大到一定值 時材料失穩斷裂。這是斷裂力學的基本理論。

某電站鍋爐型號為SG-1080/17.4-M888燃煤發電亞臨界鍋爐，額定工作壓力為 1 7 . 4 M P a ，額定蒸發量為 2022年4月，在該電站鍋爐定期檢驗的過程中，經表面無損檢測發現再熱熱段管道的堵閥閥體表面有大量明顯裂紋。為防止該裂紋擴展引發鍋爐安全事故，需對裂紋性質及形成原因進行分析，并提出防止裂紋擴展及壽命預測的措施。該鍋爐目前運行已超過10萬h，堵閥材質為A339P22（WC9）鋼，額定工作壓力為 1 7 . 4 M P a ，額定工作溫度為 。本研究以該電廠鍋爐堵閥為對象，通過對該試樣進行宏觀檢查、無損檢測分析、拉伸試驗、硬度試驗等力學性能試驗，采用有限元分析ANSYS對該部位進行有限元仿真進行綜合分析2，結合現場實際情況分析該裂紋產生的原因，并提出了相關的預防措施，以期為該部件壽命評估和預測提供參考。

1試驗

1.1無損檢測分析

對電站鍋爐堵閥的檢測最佳方案是磁粉檢測加超聲檢測復查[3]。本研究通過對該電廠再熱熱段管道堵閥進行表面磁粉檢測（以下簡稱MT），按照《承壓設備無損檢測》（NB/T47013—2015）的標準要求，將閥體外表面打磨露出金屬光澤，采用黑磁膏、磁軛法進行MT檢測，發現該閥體表面存在多處裂紋（如圖1至圖3所示）。裂紋主要分布在位于閥體表面左半部和右半部，裂紋形態多樣無規則。MT檢測發現閥體右側1處裂紋，最大長度為 7 0 m m ，左側1處裂紋，最大長度為 6 7 m m 。

1.2金相分析

對閥體表面裂紋處進行金相分析，試驗處表面打磨拋光露出金屬光澤，用 3 % 的硝酸酒精溶液腐蝕后，在200倍顯微鏡，觀察金相組織，結果如圖4所示。圖譜分析表明：裂紋處清晰可見，該裂紋末端具有單道微裂紋特性，尖端尖細，邊緣平直。擴展區裂紋單道發展，屬于沿晶界擴展。

1.3 拉伸試驗

沿閥體直管段取樣，制成標距直徑 5 m m ，長度2 5 m m 的標準拉伸持久試樣，在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，數據結果見表1。表中同時列出了標準《鍋爐，過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》（ASMESA-213M-2017）對A339P22的拉伸性能標準。由表1可知，該試樣拉伸性能各項試驗數據均符合標準的要求。

1.4 硬度試驗

由外側向內側分別對閥體的直管段、閥體左側、閥體中部、閥體右側表面處理進行硬度檢測，得到布氏硬度數值見表2。按照《火力發電廠金屬技術監督規程》（DL/T438—2023）的規定：A339P22布氏硬度值合格范圍為： 1 3 0 ～ 1 9 7 H B 。由表2可知，閥體不同位置硬度數值差別不大，符合相關標準的規定，表明該閥體經過了固溶處理，消除了應力集中[4]。

1.5 有限元分析

應用有限元分析軟件ANSYS對該閥體進行模擬仿真，模擬實際工況在 設計壓力 1 7 . 4 M P a 邊界條件下的進行應力場進行分析。結果表明，應力最大區域位于堵閥肩部內壁處，肩部內外兩側應力較大，遠離直管段應力逐漸減小。分析表明：該肩部區域內外表面容易出現應力集中現象，該區域如果在外加應力作用下容易出現表面裂紋。

1.6化學成分分析

對該堵閥（材料為A339P22）試樣進行化學成分分析，試驗數據見表3。由表3可知，該閥體材料檢驗結果符合《電站閥門鑄鋼件技術條件》（JB/T5263—2005）的標準要求。

2 結果分析與討論

通過以上幾種檢測試驗結果可知，拉伸試驗、硬度檢測均表明該材料成分符合要求，制造工藝和安裝過程也符合相關標準的規定。依據有限元分析結果，該閥門閥體肩部內外表面均存在應力集中現象，若在外界應力作用下容易產生表面裂紋并進一步擴展斷裂，可以初步斷定該裂紋是在運行過程中產生的熱裂紋。鑄造工藝和應力集中是導致裂紋尖端產生裂紋源的主要因素。此外閥體鑄造后未經時效處理，運行中的高溫高壓、交變應力、結構應力、熱應力及內應力等因素也會造成一定影響[5]。

2.1 鑄件工藝

對于鑄件而言，主要影響因素是鑄造工藝性（包括熱裂性、流動性和收縮性等）。在鑄鋼合金成分中，最有害的化學成分是硫、磷。當 5gt;0 . 0 3 % ， Pgt; 0 . 0 2 % 時，硫化物以鏈狀共晶形式分布時，易引起熱裂紋。合金元素的成分會造成（如砂眼、氣孔、裂紋、冷隔等）鑄造缺陷，合金元素的增多限制了鋼液的流動性，容易產生裂紋。因此，控制鑄造工件中S、P元素含量和合金元素成分至關重要。

2.2 結構因素

通過有限元軟件ANSYS分析可知，鑄造閥門閥體結構復雜，其主體厚度遠遠大于直管段且閥體表面肩部和突變處容易出現應力集中現象，在外界應力綜合作用下容易產生裂紋擴展。

2.3 裂紋分析和產生機理

該裂紋形成原因較多，最主要因素有以下3點：① 結構不合理，如壁厚相差較大、熱節較多而且較大、壁厚薄的轉角處圓角太??； ② 鑄件的壁厚不勻，導致鑄件的熱應力不一致，薄壁處其對厚壁處的冷凝收縮起到阻礙作用，當阻力超過強度極限時，就會產生熱裂紋； ③ 鑄件壁厚薄的轉角處圓角太小或呈尖角，引起應力集中；圓角太大，容易出現新的熱節。

從宏觀和微觀特征判斷，該裂紋屬于應力不均動力流動性裂紋，又稱熱裂紋。由于裂紋所在堵閥位置是表面的多處區域，其所受的應力不均勻向四周方向均相等，故裂紋呈多種形態開裂[6]。

熱裂紋產生機理為裂紋前端尖細，邊緣平直，裂紋走向與最大應力方向垂直，單道發展。鑄件在凝固后期，固相已形成完整的骨架，并開始線收縮，收縮受到阻礙，產生鑄造熱裂紋。微觀下外熱裂裂紋是一種晶界裂紋，沿晶粒的晶界延展。

3補焊工藝及壽命預測

3.1 補焊工藝

堵閥閥體裂紋清理后打磨深度和打磨面積決定了不同焊接工藝和修補工藝。打磨深度 h lt; 6 m m 時，不用補焊（需圓滑過渡）;打磨深度 h lt; 2 0 % 公稱壁厚或 2 5 m m 時，或打磨面積 時，可采用異質冷補焊工藝；打磨深度 h ≥ 3 0 % 公稱壁厚或打磨面積 時，應采用同質熱補焊工藝，同時應控制各種工藝參數，如焊條、預熱、層間溫度、消氫處理、焊后熱處理、升降溫速率等；補焊次數累計超過3次時，須整體更換[7]。

裂紋經打磨消除后補焊焊條應使用低氫焊條。補焊前，應預熱，一般焊條應經 左右烘 焊前必須清除閥體表面鐵銹、油污、水分等雜質。焊接位置均勻預熱，溫度為 ，應選背風處或用擋風板遮擋，避免快速冷卻，當補焊一個堆層時，同時應立即清除藥渣以降低補焊應力。焊后需進行低溫消氫處理，以消除加速擴散氫。焊后至常溫 2 4 h 后進行表面無損檢測（選擇與原檢測方法相同的檢測方法進行），以確保新缺陷的產生。

3.2壽命預測

電站鍋爐受熱面堵閥裂紋屬于重大缺陷，應及時消除，必要時進行補焊，否則不得使用。若出現多條裂紋聚集成密集裂紋、疲勞產生的裂紋和苛性脆化產生的裂紋時應進行挖補或更換的方法進行處理。對于能停機的鍋爐需緊急停爐打磨消除處理，打磨超過一定數值時需補焊處理；對于不能停機無法處理缺陷的機組，須在線監測設備及時監控裂紋擴展情況，同時應做好應急措施，應對事故發生。

4結論

① 從堵閥裂紋產生的部位、擴展方向、金相顯微形態等方面的特征，判斷裂紋性質為應力不均動力下流動性熱裂紋。

② 堵閥材質為A339P22（WC9）鋼，補焊時應嚴格控制焊接工藝、焊后及時后熱、完工后增加表面無損檢測，以防止裂紋的出現。

③ 對出現表面裂紋的堵閥應及時消除處理，不能處理時候應實現在線監測設備監控裂紋擴展。

參考文獻：

[1全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會：電站鍋爐主要承壓部件壽命評估技術導則：GB/T30580—2022[S].北京：中國標準出版社，2022.

[2]張軍.鍋爐分隔屏過熱器爆管原因分析及處理[J]中國特種設備安全，2024（9）：62-66.

[3]鄧兵，劉獻游.在役電站鍋爐鑄鋼C12A堵閥的無損檢測[J].中國特種設備安全，2015（12）：53-56.

[4]電力行業電站金屬標準化委員會：火力發電廠金屬技術監督規程：DL/T438-2016[S].北京：中國電力出版社，2016.

[5]張立峰，王義廂.電站鍋爐鑄鋼堵閥缺陷分析[J].中國科技信息，2015（11）：2-3.

[6]劉晨，高淼淼.某超臨界機組主汽三通開裂原因分析與探討[J].西部特種設備，2021（5）：52-59.

[7]姜保米，葉永峰，龐凱杰.電站鍋爐高溫再熱器堵閥補焊工藝[J].焊接技術，2022（9）：70-74.