房金秋 李奇桐 任繼紅 韓非

1.黑龍江省電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.龍電集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001；

3.華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠，黑龍江 哈爾濱150024

200MW機組輸煤棧橋鋼桁架塌落原因分析及對策

房金秋1李奇桐2任繼紅1韓非3

1.黑龍江省電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.龍電集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001；

3.華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠，黑龍江 哈爾濱150024

本文對國產(chǎn)200MW機組燃煤貯運系統(tǒng)輸煤棧橋鋼桁架塌落原因進行深入的分析和探討，通過對輸煤棧橋鋼桁架塌落斷口進行化學成分分析、機械性能、金相、掃描電鏡及能譜試驗，發(fā)現(xiàn)了輸煤棧橋鋼桁架塌落的原因，是由于長期運行，使得鋼的抗拉強度降低，導致輸煤棧橋鋼桁架脆性斷裂，為預防類似事故的發(fā)生提供了理論依據(jù)。

脆性斷裂；抗拉強度；石墨；(Mn，F(xiàn)e)S夾雜物

引言

在國內(nèi)火電廠的燃煤貯運系統(tǒng)中，輸煤棧橋是其重要組成部分，由于其很少發(fā)生故障或事故，長期以來，其安全性受到大家的忽視，且很多輸煤棧橋已經(jīng)服役二、三十年，存在很大的安全隱患。我們通過對一起輸煤棧橋鋼桁架塌落事故進行的原因分析，旨在引起大家對輸煤棧橋安全性的重視，舉一反三，防微杜漸，防止類似事故的多發(fā)。

1、事故現(xiàn)場簡介

某電廠使用的兩臺200MW凝汽式機組，分別于1986年、1987年投產(chǎn)發(fā)電，其燃煤貯運系統(tǒng)分為一期、二期兩套系統(tǒng)，一期輸煤系統(tǒng)為1、2號機組供煤。2011年1月10日上午10:38時，為1、2號機組輸煤的一期5號棧橋最高跨鋼桁架突然塌落，造成5號棧橋兩路皮帶斷裂，皮帶構架脫落，附屬電纜及沖洗水管拉斷。

一期5號輸煤棧橋位于#2轉運站與主廠房之間，總長（水平）122.535m；5個柱距，柱間距分別為（以#2轉運站為起點）24m，23.868m，17.607m，28.53m，28.53m；兩起點標高分別為11.7m，39.936m（主廠房側）。棧橋寬度6.9m。受力體系為，橫向采用框架結構承重，縱向采用下承式鋼桁架承重，樁基礎支撐。結構形式為，預制鋼筋混凝土槽型板，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架，焊接鋼桁架，預制鋼筋混凝土拱殼板。支柱與鋼桁架支座鉸聯(lián)接，主廠房側為滾軸支座。

塌落的鋼桁架跨度30m（斜長）。沿運煤皮帶運行方向左右分別定義兩榀桁架為左榀鋼桁架、右榀鋼桁架。

首先是右榀鋼桁架塌落，鋼桁架塌落同時將整垮載荷全部加在左榀鋼桁架上，使左鋼榀桁架因承重超載而一同塌落，樓板及圍護結構一同塌落。塌落后每榀鋼桁架各斷為兩截。右榀鋼桁架斷口：下弦桿在距鋼桁架跨中右側1.2m接頭焊縫處，上弦桿在鋼桁架跨中節(jié)點處。左鋼榀桁架斷口：上弦桿在中間節(jié)點，下弦桿未斷，腹桿從節(jié)點分離。上、下弦桿由兩根等邊角鋼加兩根不等邊角鋼構成。其中下弦桿斷口平齊，無頸縮，呈脆性斷裂特征；上弦桿斷口桿件翼緣卷曲，有壓曲及觸地撞擊特征。

為了更準確分析塌落原因，我們對斷口進行了宏觀檢驗、化學成分分析、常溫機械性能、彎曲試驗、金相檢驗、掃描電鏡、能譜分析。

2、原因分析

2.1 宏觀檢驗下弦桿斷口平坦,無剪切唇，斷面顏色較光亮，斷口呈人字紋放射線, 人字紋結點為裂紋源,其放射方向為裂紋擴展方向。呈脆性斷裂特征。

2.2 用化學方法進行成分分析，1號樣的含量符合前蘇聯(lián)標準ГОСТ 380—71的規(guī)定，合格。2號樣的Si（硅）和Mn（錳）含量超過前蘇聯(lián)標準ГОСТ 380—71的規(guī)定，其余合格。結果見表1。

表1 棧橋鋼桁架化學成分分析

2.31 號樣的下屈服強度和抗拉強度不滿足前蘇聯(lián)標準ГОСТ 380—71的規(guī)定值，其余合格。2號樣的抗拉強度不滿足前蘇聯(lián)標準ГОСТ 380—71的規(guī)定下限值，其余合格。

1號樣和2號樣的抗拉強度下降，說明該材料抵抗斷裂的能力降低，發(fā)生斷裂。

2.4 彎曲試驗

根據(jù)前蘇聯(lián)標準ГОСТ 380—71的規(guī)定：壁厚小于等于20mm，彎心直徑等于0.5mm，冷彎角度180°，對1號樣和2號樣各兩塊進行彎曲試驗，四塊彎曲試樣未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.5 金相檢驗

斷口金相組織為鐵素體加珠光體，長條狀、球狀(Mn，F(xiàn)e)S夾雜物。

2.6 掃描電鏡及能譜檢驗

通過對1號樣和2號樣的斷口檢驗發(fā)現(xiàn)斷口形貌為脆性斷口：扇形花樣、解理臺階、河流花樣、解理舌及大量彌散(Mn，F(xiàn)e)S夾雜物顆粒，是脆性斷裂。發(fā)現(xiàn)穿晶裂紋，未發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋，不是疲勞斷裂。并意外地發(fā)現(xiàn)有黑色條狀石墨和團絮狀石墨存在。

3、分析討論

3.1 環(huán)境溫度的影響

引起解理斷裂的主要因素有環(huán)境溫度、介質、加載速度、材料的晶體結構、顯微組織和應力大小與狀態(tài)等。

塌落時，正值負載運行，且氣溫很低，約-26℃。因此環(huán)境溫度影響很大。環(huán)境溫度影響解理裂紋擴展時所吸收能量的大小,隨著溫度的降低,解理裂紋擴展時所吸收的能量較小,更容易導致解理斷裂。

3.2 非金屬夾雜物對鋼的斷裂韌性影響

長條狀和大顆粒(Mn,Fe)S夾雜物是直接由鋼液中熔融狀態(tài)液滴狀(Mn,Fe)S夾雜物在鋼凝固后形成的。非常細小的球狀或錐狀(Mn,Fe)S夾雜物是因鋼液中Mn和S的含量較高，在鋼凝固時從鋼液中析出的。

硫及硫化物的含量增加降低鋼的各種韌性指標，鋼的斷裂韌性隨著夾雜物數(shù)量或長度的增加而下降。通過對硫化物和氮化物夾雜對鋼的斷裂韌性的影響研究了，結果得出：對斷裂韌性的危害由小到大依次為VN→TiS→AlN→NbN→ZrN→Al2S3→CeS→MnS；夾雜物含量與斷裂韌性大小呈線性反比關系，TiS對斷裂韌性沒有影響。一些研究工作討論了夾雜物作為裂紋根源的作用問題，研究證明，鋼中的脆性夾雜物由于與鋼基體的熱膨脹系數(shù)不同，在夾雜物周圍容易產(chǎn)生內(nèi)應力。

3.3 鋼中團絮狀石墨的危害

石墨本身的強度極小，在鋼中可以把它看成是孔洞和裂縫。石墨的存在，一方面破壞了金屬基體的連續(xù)性，縮小了真正承載載荷的有效截面；另一方面，它產(chǎn)生缺口效應，導致應力集中。鋼在軋制和使用過程中，不會產(chǎn)生團絮狀石墨；只能是非正常冶煉工藝過程添加不能固溶的碳形成的。碳素鋼中正常冶煉和軋制均不能產(chǎn)生石墨，鋼中存在不能固溶的石墨碳導致鋼的基體強度大大下降。[4]

4、結語

某電廠一期輸煤5號棧橋鋼桁架塌落的斷口為脆性斷裂。抗拉強度不滿足規(guī)程要求、環(huán)境溫度低、鋼中形成團絮狀石墨和非金屬夾雜物(Mn,Fe)S的大量存在均是加劇脆性斷裂的因素。

此次事故表明，使用重大承重鋼結構的單位應該定期增加機械性能和金相檢驗，盡早發(fā)現(xiàn)和排除設備隱患，對保證設備的安全穩(wěn)定運行具有實際意義。

[1]林慧國，周人俊編.世界鋼號手冊[S].北京：機械工業(yè)出版社，198 5

[2]姜錫山,趙晗編著.鋼鐵顯微斷口速查手冊[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2010

[3]火力發(fā)電廠金屬材料手冊[M].北京：中國電力出版社，2009

[4]《金相圖譜》編寫組.金相圖譜[M].北京：電力工業(yè)出版社，198 0

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.063

房金秋 女，高級工程師，1964年7月生，1987年7月畢業(yè)于東北工學院金屬材料與熱處理專業(yè)，畢業(yè)后一直在黑龍江省電力科學研究院金屬研究所從事定期檢驗和失效分析。