摘 要:某超超臨界1000MW 機(jī)組高溫再熱器入口集箱剛性吊架螺紋吊桿發(fā)生斷裂,采用宏 觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、室溫拉伸性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、斷口分析等方法對(duì)其斷裂原因進(jìn) 行分析。結(jié)果表明:螺紋吊桿斷面附近存在明顯頸縮現(xiàn)象,整個(gè)斷面上均存在蠕變孔洞,蠕變孔洞 長(zhǎng)大、聚集并形成蠕變裂紋;爐頂大包內(nèi)實(shí)測(cè)溫度大幅超過(guò)了原設(shè)計(jì)值,在實(shí)測(cè)溫度下軸向應(yīng)力計(jì) 算值超標(biāo),在高溫和高應(yīng)力作用下,在應(yīng)力集中的牙根部位發(fā)生蠕變斷裂。

關(guān)鍵詞:高溫再熱器;螺紋吊桿;蠕變斷裂;溫度測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào):TB31;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)02-0031-05

剛性吊架是電站鍋爐爐頂集箱系統(tǒng)的重要組成 部分,其承載狀態(tài)直接影響集箱的應(yīng)力分布和大小, 應(yīng)力是導(dǎo)致管道、集箱及相連受熱面壽命縮短的重 要原因[1-6]。如果剛性吊架的材料等級(jí)偏低,吊架安 裝時(shí)受力不均、運(yùn)行時(shí)超載,就會(huì)發(fā)生吊架斷裂、集 箱及管座焊縫開(kāi)裂的事故,從而影響機(jī)組的安全生 產(chǎn)、提高維修成本。

某電廠已投入運(yùn)行10a的1000MW 機(jī)組高 溫再熱器入口集箱的剛性吊架發(fā)生斷裂,集箱剛性 吊架位于爐頂大包內(nèi),剛性吊架除承受常規(guī)載荷外, 還承受爐內(nèi)的高溫環(huán)境。筆者采用一系列理化檢驗(yàn) 方法分析了其斷裂原因,為爐頂集箱剛性吊架的安 全運(yùn)行及維護(hù)提供技術(shù)支持。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

某超超臨界1000MW 機(jī)組高溫再熱器的左側(cè) 集箱3# ,4# ,5# ,6# ,7# 剛性吊架螺紋吊桿發(fā)生斷 裂,高溫再熱器入口集箱的中部向下彎曲變形。采 用激 光 水 平 儀 測(cè) 量 集 箱 的 最 大 彎 曲 變 形 量 達(dá) 40mm。斷口位于大包內(nèi)小罩下方靠近管夾的螺紋 段,均斷裂于牙根部位,斷面不平整且較為粗糙,斷 口均無(wú)宏觀缺陷。根據(jù)斷口表面氧化及頸縮結(jié)構(gòu)特 征,確定最開(kāi)始斷裂的是5# 剛性吊架,因此選取左 側(cè)集箱中部的5# 剛性吊架進(jìn)行分析。

5# 剛性吊架螺紋吊桿總長(zhǎng)度約為5800mm, 中間光桿直徑為50mm,兩端螺紋長(zhǎng)度為300mm, 螺距為3mm,按照 GB/T28703—2012《圓柱螺紋 檢測(cè)方法》測(cè)量螺紋根部的圓弧半徑為 0.39~ 0.41mm,圓弧半徑符合要求。

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)螺紋吊桿外表面呈紅褐色(見(jiàn)圖 1),且斷裂于光桿附近的螺紋根部,斷口附近存在頸 縮現(xiàn)象并向一側(cè)彎折,最大頸縮量為11%。斷面呈紅褐色、表明不平整且粗糙,源區(qū)位于螺紋根部表面 且較為平整,終斷區(qū)位于斷口源區(qū)對(duì)側(cè)且面積較小, 斷面未見(jiàn)明顯疲勞弧線,斷口宏觀形貌如圖2所示。

1.2 化學(xué)成分分析

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) GB/T20125—2006《低合金鋼 多元素的測(cè)定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》和 GB/T20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻 感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法》對(duì)螺紋吊桿材料進(jìn)行化 學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:螺紋吊 桿的各項(xiàng)化學(xué)成分均符合 ASTM A182—2020《高 溫用鍛制或軋制合金鋼公稱管道法蘭、鍛制管配件、 閥門(mén)和零件》標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

1.3 室溫拉伸性能測(cè)試

在螺紋吊桿遠(yuǎn)離斷口部位和斷口部位附近分別 截取2個(gè)軸向拉伸試樣,依據(jù) GB/T228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》對(duì) 螺紋吊桿試樣進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試,結(jié)果如表2 所示。由 表 2 可 知:各 試 樣 的 拉 伸 性 能 均 滿 足 ASTM A182—2020對(duì)F12鋼1級(jí)的要求。

1.4 硬度測(cè)試

在螺紋吊桿基體部位分別截取4個(gè)硬度試樣, 依據(jù)GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》,使用維式硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè) 試,檢測(cè)載荷設(shè)定為98N,持續(xù)時(shí)間為15s,依據(jù) GB/T33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》將維 式硬度換算為布氏硬度,結(jié)果如表3所示。由表3 可知:螺 紋 吊 桿 基 體 各 試 樣 的 布 氏 硬 度 均 符 合 ASTM A182—2020對(duì)F12鋼1級(jí)的要求。

1.5 掃描電鏡分析

在掃描電鏡(SEM)下觀察螺紋吊桿的斷裂部 位,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:酸洗前螺紋吊桿 斷面覆蓋有大量的氧化產(chǎn)物;酸洗后螺紋吊桿斷面源區(qū)未見(jiàn)機(jī)械損傷等缺陷;整個(gè)斷面上存在大量的 蠕變孔洞;斷面上未見(jiàn)條帶等疲勞特征。

1.6 金相檢驗(yàn)

在螺紋吊桿近斷口徑向及軸向分別截取試樣9 及試樣10,在遠(yuǎn)離斷口位置軸向截取試樣11,依據(jù) GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè) 定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行非金屬夾雜物檢 測(cè),依據(jù) GB/T6394———2017《金屬平均晶粒度測(cè) 定方法》進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí),依據(jù) GB/T13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

試樣的非金屬夾雜物微觀形貌如圖4所示,各 類(lèi)非金屬夾雜物含量均小于0.5級(jí),符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 各試樣的顯微組織形貌如圖5所示,由圖5可知:試 樣的晶粒度為7~8級(jí),顯微組織為珠光體+鐵素 體,符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

在螺紋吊桿斷口附近垂直斷面截取1個(gè)軸向金 相試樣12,在光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖6所示。 由圖6可知:斷面附近存在大量的蠕變孔洞,部分已 于晶界處形成蠕變裂紋;開(kāi)裂源區(qū)及近斷面螺紋根 部附近的顯微組織均存在明顯的晶粒拉長(zhǎng)形變、蠕 變裂紋及蠕變孔洞。

2 強(qiáng)度校核分析

剛性吊架的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示,5# 剛性 吊架斷裂的螺紋吊桿規(guī)格為 M48×3,材料為 F12 鋼,設(shè)計(jì)載荷為113890N,設(shè)計(jì)工作溫度為480℃。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,軸向應(yīng)力計(jì)算值為

式中:σ為軸向拉應(yīng)力;F 為剛性吊架設(shè)計(jì)載荷;d 為螺紋根部小徑。

強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果表明:吊桿螺紋根部的軸向拉應(yīng)力為72.4 MPa,小于設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 73.9MPa,在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。斷面上存在大量的 蠕變孔洞,螺紋吊桿可能存在工作溫度偏高的問(wèn)題, 因此在大包內(nèi)螺紋吊桿靠近螺紋的光桿上安裝了若 干溫度測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,螺紋吊桿的實(shí)際最高工 作溫度為535 ℃。由 ASME 《鍋爐及壓力容器規(guī)范:第Ⅱ卷D篇》可知,F12鋼在535℃時(shí)的許用應(yīng) 力為53.4MPa,在實(shí)測(cè)工作溫度下,螺紋根部軸向 拉應(yīng)力超過(guò)其許用值。

為了掌握螺紋根部截面應(yīng)力的分布及斷裂過(guò)程,對(duì)斷裂段進(jìn)行有限元分析,沿螺紋根部截面直徑方向 的軸向拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:螺 紋根部圓周外表面的軸向拉應(yīng)力最高,由圓周至圓心 快速降低后基本不變,其中根部的最大軸向應(yīng)力為 160.3MPa,超過(guò)了實(shí)際工作溫度下的屈服強(qiáng)度140.0 MPa,螺紋吊桿于斷口附近發(fā)生頸縮現(xiàn)象。

3 綜合分析

螺紋吊桿的化學(xué)成分、硬度、室溫拉伸性能、非 金屬夾雜物含量、晶粒度及顯微組織均符合相關(guān)標(biāo) 準(zhǔn)的要求,試樣斷面源區(qū)未見(jiàn)機(jī)械損傷。

宏觀觀察結(jié)果表明:螺紋吊桿斷裂于光桿附近 的牙根部位,試樣斷面起伏較大,較為粗糙;斷口裂 紋源位于螺紋根部表面,終斷區(qū)位于斷口源區(qū)對(duì)側(cè)。 斷面附近存在明顯的頸縮,最大頸縮量為11%,說(shuō) 明存在超載現(xiàn)象。斷面附近均存在蠕變孔洞;斷面 上未見(jiàn)弧線或條帶等疲勞特征。在運(yùn)行過(guò)程中,螺 紋吊桿在高應(yīng)力和高溫作用下,螺紋根部應(yīng)力超標(biāo), 形成蠕變孔洞,孔洞聚集、長(zhǎng)大直至產(chǎn)生裂紋,甚至 發(fā)生斷裂。此外,現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),集箱支吊架存在受 力不均現(xiàn)象,部分支吊架超載。

強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果表明,螺紋吊桿牙根軸向拉 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為72.4MPa,大于實(shí)測(cè)最高工作溫度 時(shí)的許用應(yīng)力40.1MPa;有限元計(jì)算結(jié)果表明,螺 紋吊桿最大應(yīng)力位于牙根表面,且超過(guò)了其屈服強(qiáng) 度,計(jì)算結(jié)果與頸縮現(xiàn)象及斷口金相檢驗(yàn)結(jié)果一致, 因此裂紋起源于牙根表面并向中部擴(kuò)展。

綜上所述,在高溫和高應(yīng)力作用下,螺紋吊桿應(yīng) 力集中部位的螺紋牙根表面產(chǎn)生蠕變裂紋,并向中 部擴(kuò)展直至斷裂。

4 結(jié)論

(1)螺紋吊桿的化學(xué)成分、硬度、室溫拉伸性能、非金屬夾雜物含量、晶粒度及顯微組織均符合相 關(guān)規(guī)定;斷面源區(qū)未見(jiàn)機(jī)械損傷等缺陷;在高溫及大 拉力作用下,在牙根截面產(chǎn)生蠕變孔洞,隨著蠕變孔 洞的長(zhǎng)大與聚集,最終形成蠕變裂紋。

(2)螺紋吊桿實(shí)測(cè)溫度大幅超過(guò)了原設(shè)計(jì)溫 度,因牙根表面應(yīng)力超過(guò)其屈服強(qiáng)度,產(chǎn)生蠕變裂 紋,裂紋逐漸向中部擴(kuò)展直至斷裂。

(3)建議根據(jù)實(shí)測(cè)溫度,對(duì)爐頂各集箱支吊架 進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算,將超標(biāo)的部件材料等級(jí)提升或 規(guī)格增大;改善燃燒方式,避免結(jié)焦;按照相關(guān)規(guī)程 要求,定期對(duì)集箱支吊架進(jìn)行檢驗(yàn)與優(yōu)化調(diào)整,使支 吊架正常承載。

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