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1、火电厂过热蒸汽管道温度套管开裂分析与处理摘要：某火力发电厂过热蒸汽管道温度测点套管在运行过程中开裂，导致蒸 汽外泄，严重危及人身及设备安全。本文对过热蒸汽管道温度测点套管的开裂原 因进行系统的分析，得出结论，以供同类型温度套管在相似工况下的应用作参考。关键词：温度套管、开裂、汽流、振动引言在火力发电厂中，热电偶在测量高温高压介质方面已得到了广泛的应用，热 电偶温度套管起到了保护温度计的重要作用，针对具有防腐蚀、高温、高压、易 爆炸、易燃烧等危险因素的测量介质，热电偶不能直接接触，这时保护套管的作 用就显现出来了。使用热电偶温度套管是为了保护里面的测温元件，也是为了检 修方便，它可以有效地保护双
2、金属温度计可靠、稳定的工作。1.概况：某电厂1号锅炉为东方锅炉股份有限公司生产的超超临界参数锅炉 ，型号为DG1900/25.4-n2,过热器出口蒸压力25.4 Mpa,过热器出口蒸汽温度571C, 过热蒸汽流量1950.2 t/h。该锅炉于2008年1月正式投入商业运行，迄今运行 已超过8万小时。2021年1月28日发现过热蒸汽管道温度测点套管处（热电偶） 有蒸汽漏出。后停炉检查发现温度套管根部存在环向开裂现象。设备概况：某电厂1号锅炉主蒸汽管道规格419.1X75mm，材质SA335P91,运行温度 为571C。热电偶套管焊接在主汽管道的管座上，材质与母材管道相同，外形尺 寸详见图1。图1
3、三、原因分析：3.1宏观检验分析图2为开裂断口的宏观图片，从图片可以看出贯穿性的断口占套管整个横截 面的三分之一左右（为便于检验，其余未断裂部分进行人工处理），裂纹从套管 的外边开始形成，白色箭头处为裂纹最初形成的区域，红色箭头为贯穿后蒸汽冲 刷的痕迹。图23.2光谱化学分析根据“GB/T 4336-2016碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析法, 采用德国 Foundry Master 台式真空火花发射光谱仪对温度套管进行材料化学成 分分析，结果如表1所示。检测结果表明：根据现行产品标准，送检热电偶套管试样的化学成分中，Mo 元素含量稍偏高，Si元素含量偏低，其余各元素均符合“ASTM
4、A335/A335M-2003 高温用无缝铁素体合金钢公称管标准技术条件”标准中P91的标准成分要求。表1 送检热电偶套管试样化学成分 （质量分数，%）检测项目化学成分3.3硬度试验根据“GB/T 231.1-2018金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法”， 采用DHB-300布氏硬度计对送检热电偶套管试样进行布氏硬度检测，检测结果如 表 2 所示。检测结果表明：根据现行标准，温度套管试样的布氏硬度平均值为227.3HBW，符合“DL/T 438 -2016火力发电厂金属技术监督规程”标准中P91 的布氏硬度值范围。表2送检热电偶套管试样的布氏硬度值（HBW）3.4金相组织分析3.4.1
5、材料冶金质量分析根据“GB/T 10561-2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验 法”，采用Leica-DMI5000金相显微镜对温度套管试样的横截面进行材料冶金质 量分析（抛光态），检测结果如图3所示。检测结果表明：温度套管试样中A、B 和C类夹杂物等级均为0级，D类夹杂物等级为1级。结果表明送检热电偶套管 试样的材料冶金质量基本良好。3.4.2晶粒度评定图4所示为热电偶套管试样的腐蚀态金相组织。根据“GB/T 6394 -2017金属平均晶粒度评定”对温度套管进行晶粒度等级评定，评定结果为5-6级。图4热电偶套管试样横截面腐蚀态金相照片100X3.4.3组织老化等级评定根据
6、“GB/T 13298-2015金属显微组织检验方法”，采用Leica-DMI5000金 相显微镜对温度套管试样进行分析，取样方向沿套管断口方向，由图5可见金相 组织的马氏体板条位向开始有分散趋势，组织形态较完整清晰，板条界、晶界开 始有颗粒状碳化物析出，金相组织未见异常，根据DL/T884-2019火电厂金相检 验与评定技术导则评定，老化程度为2级。图5热电偶套管试样的金相组织：（a）100X； （b）纵截面500X3.5断口形貌分析（SEM+EDS）在温度套管长端断裂处取断口分析试样，断口表面经物理方法反复清洗后， 在配有能谱仪的荷兰 Quanta 200 型扫描电子显微镜上观察原始断口形
7、貌，并利 用EDS分析其表面化学成分。断口形貌分析的采样区域分布如图6所示，断口形貌分析和能谱分析如下图 7-12所示。由结果可知，断口表面不同区域均已严重腐蚀损伤，表面被腐蚀产物 所覆盖，EDS分析中，三个视场的氧含量均超过了 30%,特别是视场3的SEM照 片显示氧化层已经开裂，说明断口开裂后在长时间运行过程中逐步发生了高温氧 化。但从视场2 SEM照片仍能观察到疲劳裂纹的存在，因此判断该断口开裂源于 疲劳。rrr7 入视场3视场2视场1图6断口形貌分析采集区域分布图(b)(a)图7断口形貌分析视场1图8断口能谱分析视场1(b)(a)图9断口形貌分析视场2(b)(a)FflL. 一4m1-
8、1 a *K讯氏耳或毋由1M1.TttMIJ5TT百片ttCKJ2.52CrK.Ha 匣子百他百池OK3lfl：! JlCtKMPFa liC肾科璋l og图12断口能谱分析视场336安装及受力分析锅炉运行时高速蒸汽（66.47m/s）流过温度套管，根据流体力学原理，当蒸 汽流速达到一定值时，在温度套管沿着蒸汽流动方面的背面会形成涡流，涡流的 周期性变化使温度套管背流面压力周期性变化，温度套管背流面受到周期性、高 频率的交变应力。套管主要受力（蒸汽流动方向）即为由高速蒸汽流过套管正面 产生的压力与套管背流面交变应力的矢量和。按照设计的技术要求，安装时应该将温度套管的头部卡在管道壁托台上，使 套
9、管与管壁紧密接触（如图 10），其上下两处固定的结构使套管更加稳固，同时 具备较好的抗振性。但从检查结果来看，旧温度套管并未按照技术要求安装，安装时套管的头部 与管壁托台并未接触，进而形成了一个无限位的悬臂结构（如图 10），其稳定性 和抗振性大幅下降。这种悬臂结构的套管在受交变应力时会产生轻微的振动（摆 动），其根部脆弱部分在振动的长时间作用下产生疲劳裂纹，进而造成套管开裂。图 10 设计要求 图 11 实际安装四、结论与建议4.1 综合以上理化试验分析、受力结构分析，此温度套管开裂的主要原因为未严格按照设计技术要求安装，使其受力结构发生了根本性改变，在长期的交变应力作用下温度套管在根部产生
10、疲劳裂纹，进一步产生疲劳开裂，造成蒸气泄漏4.2 此机组建于我国火电快速发展期，基建时工期紧，施工监管力度弱，可能还存在与此温度套管类似的安装情况，建议检修时对相同结构的温度测点套管 进行检查，及时消缺处理。同时将所有承压的温度套管录入设备台账，以承压部 件标准进行技术管理。参考文献1 袁伟，杨智荣热电偶套管断裂失效分析综述J 化工自动化及仪表, 2019年。2 林智勇温度计保护套管频率共振研究J 仪器仪表用户，2017年 （07）：1-43 靳峰，宋利，张武术，王锐屏式过热器出口集箱热电偶套管断裂原因分 析J.热力发电（第39卷，第4期），2010年。4 张军，王晓东，谭伟锅炉集汽集箱热电偶套管断裂原因分析J 山 东化工， 2012年。
