摘 要:某超超臨界1000MW 機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、化學成分分析、硬度測試、室溫拉伸性能測試、金相檢驗、斷口分析等方法對其斷裂原因進 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,整個斷面上均存在蠕變孔洞,蠕變孔洞 長大、聚集并形成蠕變裂紋;爐頂大包內(nèi)實測溫度大幅超過了原設計值,在實測溫度下軸向應力計 算值超標,在高溫和高應力作用下,在應力集中的牙根部位發(fā)生蠕變斷裂。

關鍵詞:高溫再熱器;螺紋吊桿;蠕變斷裂;溫度測量

中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號: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)直接影響集箱的應力分布和大小, 應力是導致管道、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偏低,吊架安 裝時受力不均、運行時超載,就會發(fā)生吊架斷裂、集 箱及管座焊縫開裂的事故,從而影響機組的安全生 產(chǎn)、提高維修成本。

某電廠已投入運行10a的1000MW 機組高 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 方法分析了其斷裂原因,為爐頂集箱剛性吊架的安 全運行及維護提供技術支持。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

某超超臨界1000MW 機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 量 集 箱 的 最 大 彎 曲 變 形 量 達 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# 剛性吊架進行分析。

5# 剛性吊架螺紋吊桿總長度約為5800mm, 中間光桿直徑為50mm,兩端螺紋長度為300mm, 螺距為3mm,按照 GB/T28703—2012《圓柱螺紋 檢測方法》測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)對側(cè)且面積較小, 斷面未見明顯疲勞弧線,斷口宏觀形貌如圖2所示。

1.2 化學成分分析

依據(jù)相關標準 GB/T20125—2006《低合金鋼 多元素的測定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》和 GB/T20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻 感應爐燃燒后紅外吸收法》對螺紋吊桿材料進行化 學成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:螺紋吊 桿的各項化學成分均符合 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、 閥門和零件》標準的相關要求。

1.3 室溫拉伸性能測試

在螺紋吊桿遠離斷口部位和斷口部位附近分別 截取2個軸向拉伸試樣,依據(jù) GB/T228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》對 螺紋吊桿試樣進行室溫拉伸性能測試,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F12鋼1級的要求。

1.4 硬度測試

在螺紋吊桿基體部位分別截取4個硬度試樣, 依據(jù)GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,使用維式硬度計進行硬度測 試,檢測載荷設定為98N,持續(xù)時間為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F12鋼1級的要求。

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)未見機械損傷等缺陷;整個斷面上存在大量的 蠕變孔洞;斷面上未見條帶等疲勞特征。

1.6 金相檢驗

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 定 標準評級圖顯微檢驗法》進行非金屬夾雜物檢 測,依據(jù) GB/T6394———2017《金屬平均晶粒度測 定方法》進行晶粒度評級,依據(jù) GB/T13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》進行金相檢驗。

試樣的非金屬夾雜物微觀形貌如圖4所示,各 類非金屬夾雜物含量均小于0.5級,符合標準要求。 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,顯微組織為珠光體+鐵素 體,符合產(chǎn)品技術要求。

在螺紋吊桿斷口附近垂直斷面截取1個軸向金 相試樣12,在光學顯微鏡下觀察,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形變、蠕 變裂紋及蠕變孔洞。

2 強度校核分析

剛性吊架的相關設計參數(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,設計載荷為113890N,設計工作溫度為480℃。

根據(jù)設計要求,軸向應力計算值為

式中:σ為軸向拉應力;F 為剛性吊架設計載荷;d 為螺紋根部小徑。

強度校核計算結(jié)果表明:吊桿螺紋根部的軸向拉應力為72.4 MPa,小于設計溫度下的許用應力 73.9MPa,在許用應力范圍內(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 干溫度測點,監(jiān)測結(jié)果表明,螺紋吊桿的實際最高工 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℃時的許用應 力為53.4MPa,在實測工作溫度下,螺紋根部軸向 拉應力超過其許用值。

為了掌握螺紋根部截面應力的分布及斷裂過程,對斷裂段進行有限元分析,沿螺紋根部截面直徑方向 的軸向拉應力計算結(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力為 160.3MPa,超過了實際工作溫度下的屈服強度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標 準的要求,試樣斷面源區(qū)未見機械損傷。

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)對側(cè)。 斷面附近存在明顯的頸縮,最大頸縮量為11%,說 明存在超載現(xiàn)象。斷面附近均存在蠕變孔洞;斷面 上未見弧線或條帶等疲勞特征。在運行過程中,螺 紋吊桿在高應力和高溫作用下,螺紋根部應力超標, 形成蠕變孔洞,孔洞聚集、長大直至產(chǎn)生裂紋,甚至 發(fā)生斷裂。此外,現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),集箱支吊架存在受 力不均現(xiàn)象,部分支吊架超載。

強度校核計算結(jié)果表明,螺紋吊桿牙根軸向拉 應力計算結(jié)果為72.4MPa,大于實測最高工作溫度 時的許用應力40.1MPa;有限元計算結(jié)果表明,螺 紋吊桿最大應力位于牙根表面,且超過了其屈服強 度,計算結(jié)果與頸縮現(xiàn)象及斷口金相檢驗結(jié)果一致, 因此裂紋起源于牙根表面并向中部擴展。

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

4 結(jié)論

(1)螺紋吊桿的化學成分、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 關規(guī)定;斷面源區(qū)未見機械損傷等缺陷;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 洞的長大與聚集,最終形成蠕變裂紋。

(2)螺紋吊桿實測溫度大幅超過了原設計溫 度,因牙根表面應力超過其屈服強度,產(chǎn)生蠕變裂 紋,裂紋逐漸向中部擴展直至斷裂。

(3)建議根據(jù)實測溫度,對爐頂各集箱支吊架 進行強度校核計算,將超標的部件材料等級提升或 規(guī)格增大;改善燃燒方式,避免結(jié)焦;按照相關規(guī)程 要求,定期對集箱支吊架進行檢驗與優(yōu)化調(diào)整,使支 吊架正常承載。

參考文獻:

[1] 王海帥,張鵬,胡鋒.某恒力吊架彈簧連桿斷裂原因分 析[J].理化檢驗(物理分冊),2020,56(4):46-48,64.

[2] 王昊,宋利,袁寶子,等.某電廠三通焊接接頭開裂原 因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2019,55(7):501- 505.

[3] 陳盛廣,王軍民,鄧玲惠,等.高溫再熱蒸汽管道異常 位移產(chǎn)生原因及防治研究與應用[J].熱力發(fā)電, 2022,51(5):169-174.

[4] 劉佳偉,尤莎,李永學,等.12Cr1MoV 高溫集箱接管 座角焊縫裂紋原因分析及處理建議[J].焊接技術, 2021,50(2):68-70.

[5] 納日蘇.某電廠低溫再熱器出口集箱焊縫裂紋原因分 析及焊接修復[J].焊接技術,2020,49(12):72-74.

[6] 劉勝明.600MW 超臨界機組鍋爐高溫再熱器出口管 道恒力支吊架吊桿斷裂失效分析[J].發(fā)電設備, 2016,30(5):333-337.

<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 2期 (pp:31-35)>