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對(duì)主蒸汽三通焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)，結(jié)果如圖1所示，可見焊縫處出現(xiàn)整圈裂紋，裂紋沿焊縫焊趾處熔合線擴(kuò)展。

圖1 三通裂紋宏觀形貌

對(duì)三通附近母材、焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布氏硬度測(cè)試，測(cè)試位置如圖2所示，測(cè)試結(jié)果見表1。

圖2 三通硬度測(cè)試位置示意圖

表1 三通硬度測(cè)試結(jié)果

由表1可知，15Cr1Mo1V鋼主蒸汽管道部分檢測(cè)點(diǎn)母材硬度接近或低于電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T438－2016«火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程»對(duì)15Cr1Mo1V鋼技術(shù)要求的下限值。

對(duì)裂紋附近取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可見裂紋附近處顯微組織均為貝氏體，碳化物在晶界以及晶內(nèi)析出和聚集，未見蠕變孔洞，顯微組織出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，老化評(píng)級(jí)為4級(jí)。

圖3 焊接接頭顯微組織形貌

1 管系應(yīng)力計(jì)算分析

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，距主蒸汽管道汽機(jī)房12m處三通下方150號(hào)滑動(dòng)支架熱態(tài)運(yùn)行時(shí)滑動(dòng)受阻，熱態(tài)管道位移量不足，附近管道支吊架出現(xiàn)處于極限位置現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 彈簧指針處于極限位置處

支吊架運(yùn)行的合理性會(huì)直接影響管系應(yīng)力分布及設(shè)備端點(diǎn)的推力。鑒于此，根據(jù)管道設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式和支吊架分布情況，對(duì)三通所在管系進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算，得到管系應(yīng)力分布以及管系對(duì)三通附近管系的推力和力矩，作為三通結(jié)構(gòu)分析時(shí)的邊界條件，同時(shí)與滑動(dòng)正常狀態(tài)下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，建立主蒸汽管道應(yīng)力模型如圖5所示。

圖5 主蒸汽管道計(jì)算模型

通過管系應(yīng)力計(jì)算可知，斷裂三通所處的位置為管系彎曲應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大的位置，管系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。由表2可知，當(dāng)三通下方105號(hào)滑動(dòng)支架滑動(dòng)受阻時(shí)，管系的最大一次應(yīng)力和最大二次應(yīng)力增加，其中臨近三通焊縫處彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增幅最大，最大增加幅度為32％。

表2 管系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2 管系對(duì)三通連接管口推力的計(jì)算分析

滑動(dòng)支架受阻和正常時(shí)，管系對(duì)三通連接管口推力及力矩的對(duì)比結(jié)果見表3，表中Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別表示管系對(duì)三通連接管口在x軸、y軸、z軸方向的推力(x向?yàn)檠毓艿垒S線方向，y方向?yàn)樨Q直方向，z方向?yàn)樗酱怪庇诠艿垒S線方向)。

表3 管系對(duì)三通連接管口推力計(jì)算結(jié)果

通過管系應(yīng)力計(jì)算分析對(duì)比可知，三通處管系彎曲應(yīng)力最大，當(dāng)滑動(dòng)支架滑動(dòng)受阻后，致使管道熱位移受阻，從而影響管系受力狀態(tài)，一次應(yīng)力和二次應(yīng)力均有所增加，三通附近彎曲應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增加較大，該現(xiàn)象同時(shí)影響管道系統(tǒng)對(duì)三通上側(cè)、左側(cè)、右側(cè)連接管口端點(diǎn)的推力和力矩變化，尤其是熱態(tài)運(yùn)行時(shí)，管道軸向方向(x方向)和水平垂直于管道軸向方向(z方向)應(yīng)力增大明顯，最大增幅為48.93％。

1 幾何模型

有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問題的有效途徑，利用有限元分析的方法對(duì)三通進(jìn)行模擬，三通主管和支管軸線共同所在平面為三通的幾何對(duì)稱面，利用幾何對(duì)稱性，有限元模型取分割的1/2個(gè)三通，模型共分為7部分，分別為三通、三通三側(cè)連接焊縫及三側(cè)母材，有限元模型選用六面體單元，對(duì)三通及連接焊縫處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃分，單元總數(shù)為61193，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為21946，三通有限元模型及單元網(wǎng)格劃分情況如圖6所示。

圖6 三通管道網(wǎng)格劃分示意圖

2 約束及加載

在圖6中y方向施加限制位移約束(y＝0)，在模型端面輸入系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力(見表3)；在模型內(nèi)表面均勻施加13.7MPa的內(nèi)壓，在模型端面輸入等效應(yīng)力，計(jì)算公式如下

F＝πR2p(1)

式中：F為模型端面等效應(yīng)力；p為內(nèi)壓；R為三通半徑。

3 求解結(jié)果及分布規(guī)律

三通的有限元模擬計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，模型在綜合條件下，應(yīng)力最大區(qū)域位于三通與上焊縫連接處區(qū)域，最大應(yīng)力值為89.4MPa，應(yīng)力最大區(qū)域與出現(xiàn)裂紋位置一致。

圖7 有限元模擬三通應(yīng)力分布圖