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高压电动闸阀爆裂原因分析

来源:无损检测人才网 时间:2012-08-24 作者:无损检测人才网 浏览量:
文章概况:高压电动闸阀爆裂原因分析 高压电动闸阀爆裂原因分析 上海电力锅炉压力容器检验所宣正发杨天海 上海高桥石化公司热电事业部 张星华屠峻 摘 要: 新装Z960Y-P W54 10V型高压电动闸阀在汽机启动前的暖管过程中爆裂。经过对爆裂进行阀体检验、材料理化检测、腔室渗水分析和内压估算,认为阀体材料基本符合质量要求,阀体爆裂是由于腔室内渗入凝结水,在阀体受热过程中,凝结水不断升温,使得腔室内压不断升高所致。据此,文中提出改善闸阀操作或更换带泄放管的闸阀,防止类似事故发生再次发生。 关键词:闸阀 失效分析 阀体 为了提高发电机组的利用率和方便供热需要,上海某电厂锅炉和汽机之间的主蒸汽管实行母管制。 按照电厂检修计划,在检修中共更换了2只同型号(Z960Y-P W54 10V型)的主蒸汽电动闸阀。闸阀工作压力10 MPa,最高工作温度540℃,材料为ZG 20CrMoV,公称通径为225mm。闸阀2005年8月出厂时曾通过29.4 MPa超压水压试验。
2005年11月28日,汽机大修结束,准备先行启动。在主蒸汽管暖管260min后,电动闸阀阀体突然爆裂,大量蒸汽喷出,阀体保温碎屑四散。闸阀阀体爆裂情况,见照片1。当时现场无人,幸未造成人员伤亡。 照片1闸阀爆裂情况 1 闸阀宏观检查和检测 (1)肉眼检查电动闸阀发现:电动闸阀裂缝位于阀体腹部,裂缝走向与阀芯导向筋呈平行状态;裂缝长度为145mm,最大宽度为4mm;裂缝穿透阀体壁厚,断口呈脆性断裂特征。在与上述裂缝平行位置的阀门外表面浇铸印记上,有一条与裂口平行的明显小裂纹,长度为25mm,开口略小于0.5mm,裂纹亦呈脆性开裂特征;闸阀腹部开裂一侧的阀体表面有明显鼓突变形,与此对应的内壁阀芯导向筋明显变形。内壁金属表面未发现明显的组织疏松、气孔或夹杂等铸造缺陷。 (2)壁厚测量在阀体外壁进行。通过壁厚测量,测点号1~8的壁厚值分别为43.1,38.2,62.2,40.7,39.1,43.1,65.2,和40.5mm.。 壁厚测量结果表明,阀体厚度为38.2mm~43.1mm,对于铸造阀体,该壁厚测量值属正常情况。未发现壁厚异常情况。 (3)材料硬度测量在阀体开裂一侧进行。测点号1~12的硬度值分别为142,171,163,185,147,183,196,191,137,164,200和199 HB。 阀体硬度测量结果表明,材料硬度为137~200 HB。在ZBJ98015-89《锅炉管道附件承压铸钢件技术条件》中,对ZG 20CrMoV铸钢的硬度值没有明确规定,但在相关的技术标准中,对ZG 20CrMoV铸钢硬度范围要求为140 HB~201 HB,参照这一要求,现开裂阀体材 21 案 例 分 析 料硬度是在要求范围内。 (4)在该电动闸阀安装之前,电厂按照有关规定,曾对闸阀进行解体光谱分析,确认闸阀各部件所用材料正确。 金相复膜取样点共3处。金相组织分析结果为铁素体+碳化物和铁素体+索氏体。根据ZG 20CrMoV铸钢热处理规范,该阀体材料金相组织仍属基本正常。 2 阀体材料强度分析 鉴于阀体腔室呈圆柱形,按照应力理论分析,圆柱形的最大主应力方向为切向。现阀体爆裂的主裂缝和另一条裂缝走向证实了上述应力分析的合理性。 阀体腔室的切向应力可用式(1)计算。 SySyDwP2)-(σ=―――――――(1) 将相关数据代入式(1),计算结果为:工作压力为10.0(MPa),阀体应力为49.97(MPa);。 超压试验压力为29.4(MPa),阀体应力为146.9(MPa)。 由于无法直接获得阀体材料的强度数据,现只能根据相关资料,取用偏保守的下限数据分析阀体材料的安全性。 从《火力发电厂金属材料手册》中相关数据获得ZG 20CrMoV钢的短时力学性能和持久强度数据。将ZG 20CrMoV铸钢相应温度的屈服强度下限值与阀体材料的应力值(工作压力和超压水压情况)比较,其安全系数结果见表1。 表1 不同温度条件下阀体材料的安全系数
据资料【1】介绍,德国工业设计部门在电厂管道的铸钢异形管件和阀门设计中,对没有规定等级的铸钢取偏保守的安全系数,一般取2.0。 由表1可见,在工作条件下(10.0 MPa和540℃),阀体材料的安全系数为4.32;按本次阀体爆裂时的蒸汽压力和温度条件考虑(10.0MPa和465℃),其安全系数为4.67;从持 22 案 例 分 析 久强度考虑,其安全系数也达到2.80,这3个安全系数均大于2.0。由此认为,即使在工作压力10.0MPa和在540℃温度下,阀门仍具有足够的安全性。 3 阀体腔室凝结水渗入分析和内压估算 爆裂电动闸阀自安装至主蒸汽管开始暖管历时18天。期间,因主蒸汽母管至该电动闸阀进口约有7m长度,故在电动闸阀的进口管侧会积有一定量的凝结水。因而,在该凝结水的表面作用着来自主蒸汽10.0 MPa的压力,部分凝结水就会渗入闸阀的腔室。至于有多少重量或体积的凝结水渗入,这是无法确定的。根据经验得知,渗入腔室的凝结水温度约为80℃~100℃。 由机组暖管记录得知,暖管历时260min,期间,首先被加热的两侧阀芯和阀体,不断将热量传递给腔室内的凝结水,使腔室内凝结水温度不断升高。同时,优先被加热的两侧阀芯向两侧膨胀,导致阀芯和阀座的结合更加紧密,使得腔室成为一个相对密闭的容器。随着腔室温度不断升高,凝结水转变成湿蒸汽,再逐渐转变为干饱和蒸汽,在此过程中,腔室内压随着温度升高而增大,阀体腔室内工质作功能力会不断提高。 腔室内压可以按一个定容加热过程进行估算。阀体腔室在暖管之前渗入一定量的凝结水。此时,工质状态为状态1,即工质为湿蒸汽状态(饱和蒸汽),压力为0.1MPa,温度为t1=100℃。定容加热过程最终状态取3个不同参数进行估算。该3个温度参数分别为:t2=150℃,t2=300℃和t2=465℃。经计算,结果见表2。
案 例 分 析 4 分析与讨论 (1)从爆裂闸阀宏观检查和理化检测结果看,阀体材料无明显壁厚减薄情况;阀体壁厚测量结果为38.2mm~43.1mm,属正常;材料硬度测量值为137HB~200HB,硬度值亦在正常范围内;材料金相组织为铁素体+碳化物和铁素体+索氏体,属于基本正常组织。由此认为,该阀体材料无明显的缺陷,材质情况尚好。 (2)在阀体爆裂一侧的裂缝附近有明显的材料变形、阀体上有2条爆裂裂缝、阀体内壁的阀芯导向筋有明显变形。该3个阀门爆裂表征,表明阀体的爆裂是由于阀体腔室内有一个远超过10.0MPa的内压所致。 (3)闸阀换新之后至开始暖管时,阀体腔室内渗入了一定量的冷凝水。开始暖管后,随着阀体腔室内的温度升高,腔室的内压也会不断升高。由此认为,闸阀阀体爆裂是由阀体腔室内的凝结水,在暖管过程中受到不断加热,导致内压不断升高所致。 (4)查阅ASME压力管道 B31.1动力管道(power piping)规范,在107条中指出“某些阀门能同时起到密封和抵抗住阀门内腔与相邻管道之间两个方向的压差的作用。当此类阀门内逸入液体,随后经加热后则可能会产生危险的升压。” 资料【1】提出,在隔绝闸阀中,存在封入液体的受热问题。当封闭在里面的水受到一侧或两侧的热水或蒸汽加热,会使隔绝阀内的压力升高。可能达到的压力取决于温度和阀体内水的相对容积。 在ASME规范和德国的管道规定中,都提出了隔绝阀腔室内逸入液体的危险性。但是,以前我们对此尚无充分认识。 (5)为防止该类事故发生,ASME压力管道 B31.1动力管道(power piping)规范中提出,设置专门用于此类逸入液体超压保护的释放装置,如泄放阀。 据了解,在国内电厂一些在用进口高压闸阀阀体上安装有泄放管,见照片2。在泄放管的另一端安装有安全阀、爆破片或截止阀,也有在阀体内设有一旁通小孔。这样的闸阀都能有效防止阀体腔室超压。 由此我们建议,除了换装带泄放管的闸阀并正确使用外,对于目前现有不带泄放管闸阀的管道系统,在管道运行规定中应补充相应的操作规定,如,规定在开启旁路阀门,疏水基本放净,隔绝阀两侧压力基本平衡后,即应启闭一下闸阀,及时排出闸阀腔室内的液体,以防止阀体腔室液体因受热出现内压升高情况。 24 案 例 分 析 照片2 带有泄放管的闸阀 5 结论和建议 综合以上对爆裂闸阀的检测和分析结果,可以得出以下结论和建议。 (1)爆裂闸阀材料无明显缺陷,材质状况尚好。阀体材料符合技术要求。该电动闸阀材料质量与阀体爆裂无因果关系。 (2)闸阀爆裂是因为在闸阀腔室内渗有一定量的凝结水。在暖管过程中,高温蒸汽不断加热闸阀阀体和阀芯,使腔室内凝结水不断升温、腔室内压不断升高,腔室内压达到和超过阀体强度所致 (3)为了防止再次发生闸阀爆裂事故,建议在新设计的管道上,采用具有泄放管的闸阀。在现有管道系统安装有无泄放管闸阀的情况下,应修改现有的暖管操作规程,并切实予以执行。避免出现闸阀爆裂事故。 参考资料: 【1】《发电厂管道》H.H.欧德-亨格尔等著,李锡武等译,水利电力出版社1987。
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