鄭文超

(黑龍江省火電第三工程公司，黑龍江 大慶 163711)

鍋爐低溫過(guò)熱器吊掛管斷裂原因分析

鄭文超

(黑龍江省火電第三工程公司，黑龍江 大慶 163711)

在某電廠擴(kuò)建2×300 MW機(jī)組工程鍋爐低溫過(guò)熱器吊掛管水平運(yùn)輸及吊裝過(guò)程中,先后有7根吊掛管發(fā)生橫向斷裂,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及各種試驗(yàn)與分析，確認(rèn)低溫過(guò)熱器吊掛管橫向斷裂的原因?yàn)樵O(shè)備廠家提供的管母材沖擊韌性過(guò)低和掛件焊縫不合格所致。

低溫過(guò)熱器；吊掛管 ；橫向斷裂；原因分析

黑龍江省火電第三工程公司承建的某電廠擴(kuò)建工程2×300 MW機(jī)組項(xiàng)目, 鍋爐水平低溫過(guò)熱器吊掛管規(guī)格為φ60×12 mm,材質(zhì)為20G。由設(shè)備廠家完成焊接在管上的耳板,固定、吊掛低溫過(guò)熱器管排。每片低溫過(guò)熱器上、中、下三組蛇形管,每?jī)筛鯍旃茈p面固定兩片低溫過(guò)熱器管排。

低溫過(guò)熱器組合完成后,在水平倒運(yùn)、起吊的過(guò)程中,吊掛管先后斷裂了7根,對(duì)此,設(shè)備廠家給出了這樣的結(jié)論:斷裂的原因是由于φ60×12mm的20 G小口徑鋼管在較低溫度下抗沖擊韌性儲(chǔ)備不足,在吊運(yùn)和安裝的過(guò)程中,吊掛管受到了較大的彎矩和瞬間的沖擊載荷,導(dǎo)致瞬間斷裂。實(shí)際上,低溫過(guò)熱器水平倒運(yùn)時(shí),每組蛇形管上設(shè)2個(gè)吊點(diǎn),整個(gè)組件共6個(gè)吊點(diǎn),載荷均布,平穩(wěn)抬升,豎向起吊時(shí)有專用的固定架。另外,第一根吊掛管斷裂發(fā)生在10月29日下午14∶00時(shí)后,當(dāng)天氣溫官方天氣預(yù)報(bào)為+1 ℃～+7 ℃,排除了低溫脆斷的可能性。由此可見,設(shè)備廠家的給出的結(jié)論是站不住腳的,為了弄清原因,落實(shí)責(zé)任,保證機(jī)組質(zhì)量及安全,現(xiàn)場(chǎng)幾家單位抽調(diào)人力對(duì)斷口及管材進(jìn)行了分析。

1 原因分析

1.1 宏觀斷口形貌

從斷管中隨機(jī)取樣,宏觀斷口形貌如圖1所示。

圖1 宏觀斷口形貌

在圖1中,管為橫向斷裂,斷裂點(diǎn)為廠家焊接耳板端部,從斷口上的放射花樣指向看,裂紋起裂于管板連接焊縫的起弧收弧處,起裂處由于電弧擦傷，因此形成一個(gè)弧坑。斷口為結(jié)晶狀,結(jié)晶面較粗大。斷口處無(wú)明顯塑性變形痕跡,為脆性斷裂。

1.2 化學(xué)分析

從斷管上取樣進(jìn)行化學(xué)分析,其結(jié)果如表1所示。

表1 斷管材質(zhì)化學(xué)分析結(jié)果

從表1數(shù)據(jù)可知,化學(xué)分析結(jié)果符合GB5310-2008中20G母材化學(xué)成分的要求。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

從斷管上取樣,進(jìn)行拉伸和常溫沖擊韌性試驗(yàn)(按GB5310-2008規(guī)定,直徑D≥76 mm,且壁厚S≥14 mm的鋼管應(yīng)做沖擊韌性試驗(yàn)。φ60×12 mm規(guī)格的鋼管可不進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn),但管為脆斷,為了解脆斷的原因進(jìn)行了沖擊韌性試驗(yàn)),取樣時(shí)避開焊縫熱影響區(qū),以便準(zhǔn)確地獲得管母材的力學(xué)性能數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 斷管力學(xué)性能數(shù)據(jù)

從表2數(shù)據(jù)可知,拉伸性能滿足GB5310-2008中20G的要求,但沖擊吸收能量太低[1]。

1.4 金相組織分析

從斷管起裂處帶有耳板側(cè)取樣進(jìn)行了金相組織分析。金相觀察面為縱向,穿過(guò)起裂點(diǎn)。管母材金相組織照片如圖2所示,為鐵素體+珠光體,有帶狀特征[2],應(yīng)為20G鋼管熱軋后組織。

圖2 管母材金相組織

焊縫熱影響區(qū)金相組織如圖3所示,為馬氏體+貝氏體,顯微硬度HV0.1為398、420、446。起裂處的金相形貌如圖4所示,起裂點(diǎn)位于緊靠熔合線的過(guò)熱區(qū)。

圖3 焊縫熱影響區(qū)金相組織(400x)

圖4 起裂處的金相形貌(150x)

1.5 綜合分析

從幾組斷口宏觀形貌上看,管是脆性斷裂,斷裂的起始點(diǎn)為廠家焊接耳板端部焊縫的起弧收弧處,該處不同程度的存在咬邊、弧坑外觀缺陷,其中有一組管樣角焊縫金屬沿與管的熔化結(jié)合面分離,熔合面處焊縫光滑,表明焊縫金屬與母材之間存在未熔合缺陷[3]。

過(guò)熱區(qū)存在馬氏體組織,以致近縫區(qū)管母材的塑韌性降低。這應(yīng)與焊接時(shí)工件溫度較低和焊接參數(shù)太小有關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)查看,大部分耳板角焊縫焊腳高度3 mm左右,耳板厚度為6 mm,焊腳高度不足,焊縫成型不是圓滑過(guò)渡,表明焊接熱輸入量過(guò)小。

三個(gè)常溫沖擊韌性試樣的沖擊吸收功分別為12J、9J、8J。對(duì)于直徑D≥76 mm,且壁厚S≥14 mm的20G高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管,GB5310-2008標(biāo)準(zhǔn)要求橫向沖擊吸收功不低于27J,《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第22條明確規(guī)定,“用于制造鍋爐受壓元件的碳素鋼室溫時(shí)的夏比(“V”型缺口試樣)沖擊吸收功不低于27J”。由此可以看到，吊掛管母材沖擊吸收功過(guò)低,塑韌性極差,不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。而取樣時(shí)避開了熱影響區(qū),并且材料化學(xué)分析合格,這進(jìn)一步表明鋼材存在金相組織上的缺陷。

GB5310-2008中的關(guān)于20G顯微組織的表述:“優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)為鐵素體加珠光體”。低溫過(guò)熱器吊掛管母材金相組織為鐵素體+珠光體,有帶狀特征。這種組織也稱為二次帶狀組織或者“纖維組織帶狀”[4]。由金屬學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知,帶狀組織是鋼材中的缺陷性組織,是鋼錠中粗大的枝晶偏析在軋制過(guò)程中形成的,并與軋制方向一致。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻,形成各向異性[5],降低鋼材的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率。

綜合上述,發(fā)生脆斷的主要原因是管母材的沖擊韌性太低；其次是焊縫過(guò)熱區(qū)金屬中存在馬氏體組織，以及焊縫存在弧坑、咬邊、未熔合等缺陷。

2 解決措施

該臺(tái)鍋爐低溫過(guò)熱器共51個(gè)組件,到吊掛管發(fā)生斷裂時(shí),已經(jīng)安裝了39個(gè)組件。工程建設(shè)各方基于工程進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)成本的考量,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)三次專題分析會(huì)議及反復(fù)的協(xié)商后,決定為保證質(zhì)量及機(jī)組安全,妥善解決安裝鍋爐水平低溫過(guò)熱器出現(xiàn)的吊掛管斷裂問(wèn)題，由設(shè)備廠家免費(fèi)重新提供設(shè)備。

[1] 劉慶潭.材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003. LIU Qingtan. Material machenism[M]. Beijing：China Machine Press, 2003.

[2] 蔡珍,黃運(yùn)華,張躍,等.冷卻速度對(duì)鐵素體-珠光體帶狀組織的影響機(jī)制[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2012，24(6)：25-30. CAI Zhen, HUANG Yunhua, ZHANG Yue, et al. Mechanism of effect of cooling rate on ferrite/pearlite banded structure [J]. Journal of Iron and Steel Research, 2012，24(6)：25-30.

[3] 葉琦.焊接技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010. YE Qi. Wielding technology[M].Beijing：Chemical Industry Press, 2010.

[4] 宋維錫.金屬學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1989. SONG Weixi. Metallography [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1989.

[5] 周綺,季根順,楊瑞成，等.管線鋼中帶狀組織與氫致開裂[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,28(2):30-33. ZHOU Qi, JI Genshun, YANG Ruicheng，et al. Banded structure and hydrogen-induced cracking in pipe-lines steel [J]. Journal of Gansu University of Technology, 2002,28(2):30-33.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Transverse rupture cause analysis of hanger tube of boilerlow-temperature superheater

ZHENG Wenchao

(Heilongjiang No.3 Thermal Power Engineering Company, Daqing 163711, China)

In an extension project of 2×300 MW unit in a power plant, seven hanger tubes successively exist transverse rupture during horizontal transmission and lifting of boiler low-temperature superheater hanger tube. Through field observation and all kinds of experiments and analysis, it is confirmed that hanger tube transverse rupture is caused by unqualified impact toughness parent material and hanger tube weld.

low-temperature superheater; hanger tube; transverse rupture; cause analysis

2015-06-18。

鄭文超(1971—),男，高級(jí)工程師，主要從事火電施工項(xiàng)目管理工作。

TM621.26

A

2095-6843(2015)06-0554-03