对主蒸汽三通焊缝进行无损检测，结果如图1所示，可见焊缝处出现整圈裂纹，裂纹沿焊缝焊趾处熔合线扩展。

图1 三通裂纹宏观形貌

对三通附近母材、焊缝及热影响区进行现场布氏硬度测试，测试位置如图2所示，测试结果见表1。

图2 三通硬度测试位置示意图

表1 三通硬度测试结果

由表1可知，15Cr1Mo1V钢主蒸汽管道部分检测点母材硬度接近或低于电力行业标准DL/T438－2016«火力发电厂金属技术监督规程»对15Cr1Mo1V钢技术要求的下限值。

对裂纹附近取样进行金相检验，检验结果如图3所示，可见裂纹附近处显微组织均为贝氏体，碳化物在晶界以及晶内析出和聚集，未见蠕变孔洞，显微组织出现不同程度的老化现象，老化评级为4级。

图3 焊接接头显微组织形貌

1 管系应力计算分析

现场检查发现，距主蒸汽管道汽机房12m处三通下方150号滑动支架热态运行时滑动受阻，热态管道位移量不足，附近管道支吊架出现处于极限位置现象，如图4所示。

图4 弹簧指针处于极限位置处

支吊架运行的合理性会直接影响管系应力分布及设备端点的推力。鉴于此，根据管道设计参数、结构形式和支吊架分布情况，对三通所在管系进行管道应力计算，得到管系应力分布以及管系对三通附近管系的推力和力矩，作为三通结构分析时的边界条件，同时与滑动正常状态下的应力计算结果进行对比分析，建立主蒸汽管道应力模型如图5所示。

图5 主蒸汽管道计算模型

通过管系应力计算可知，断裂三通所处的位置为管系弯曲应力及扭转应力最大的位置，管系应力计算结果对比见表2。由表2可知，当三通下方105号滑动支架滑动受阻时，管系的最大一次应力和最大二次应力增加，其中临近三通焊缝处弯曲应力和扭转应力增幅最大，最大增加幅度为32％。

表2 管系应力计算结果

2 管系对三通连接管口推力的计算分析

滑动支架受阻和正常时，管系对三通连接管口推力及力矩的对比结果见表3，表中Fx，Fy，Fz分别表示管系对三通连接管口在x轴、y轴、z轴方向的推力(x向为沿管道轴线方向，y方向为竖直方向，z方向为水平垂直于管道轴线方向)。

表3 管系对三通连接管口推力计算结果

通过管系应力计算分析对比可知，三通处管系弯曲应力最大，当滑动支架滑动受阻后，致使管道热位移受阻，从而影响管系受力状态，一次应力和二次应力均有所增加，三通附近弯曲应力及扭转应力增加较大，该现象同时影响管道系统对三通上侧、左侧、右侧连接管口端点的推力和力矩变化，尤其是热态运行时，管道轴向方向(x方向)和水平垂直于管道轴向方向(z方向)应力增大明显，最大增幅为48.93％。

1 几何模型

有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，利用有限元分析的方法对三通进行模拟，三通主管和支管轴线共同所在平面为三通的几何对称面，利用几何对称性，有限元模型取分割的1/2个三通，模型共分为7部分，分别为三通、三通三侧连接焊缝及三侧母材，有限元模型选用六面体单元，对三通及连接焊缝处进行网格细划分，单元总数为61193，节点总数为21946，三通有限元模型及单元网格划分情况如图6所示。

图6 三通管道网格划分示意图

2 约束及加载

在图6中y方向施加限制位移约束(y＝0)，在模型端面输入系统产生的结构应力(见表3)；在模型内表面均匀施加13.7MPa的内压，在模型端面输入等效应力，计算公式如下

F＝πR2p(1)

式中：F为模型端面等效应力；p为内压；R为三通半径。

3 求解结果及分布规律

三通的有限元模拟计算结果如图7所示。由图7可知，模型在综合条件下，应力最大区域位于三通与上焊缝连接处区域，最大应力值为89.4MPa，应力最大区域与出现裂纹位置一致。

图7 有限元模拟三通应力分布图