劉勝明

(廣東大唐國(guó)際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司， 廣東潮州 521000)

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600 MW超臨界機(jī)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

劉勝明

(廣東大唐國(guó)際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司， 廣東潮州 521000)

介紹了某電廠發(fā)電機(jī)組鍋爐高溫再熱器出口管道恒力支吊架吊桿斷裂的失效情況，通過(guò)對(duì)高溫再熱器出口管道恒力支吊架吊桿的宏觀、化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相、斷口等全面的分析，得出了高溫再熱器出口管道恒力支吊架吊桿斷裂的原因，并且提出治理方案，對(duì)同型號(hào)鍋爐支吊架有很好的借鑒意義。

鍋爐； 恒力支吊架； 吊桿； 高溫再熱器； 失效

鍋爐支吊架用于固定管道，并且承受管道本身及管道內(nèi)流體的重量和保溫材料的重量；同時(shí)支吊架還應(yīng)滿足管道熱補(bǔ)償和位移的要求，以及減小管道的振動(dòng)。但是，由于支吊架吊桿的材質(zhì)、載荷、冷態(tài)調(diào)整等方面的問(wèn)題，使得支吊架在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。因此，利用宏觀、化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相、斷口等分析對(duì)支吊架吊桿斷裂的研究很有必要。

1　設(shè)備及支吊架缺陷的介紹

某電廠機(jī)組鍋爐采用超臨界本生(Benson)直流鍋爐，型號(hào)為HG-1890/25.4-YM4。高溫再熱器出口水平管道71.984 m層布置彈簧吊架11件，阻尼器4件，恒力支架1件，剛性吊架2件，見圖1。

在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)71.984 m處高溫再熱器出口爐前側(cè)7號(hào)恒力支吊架的吊桿斷裂，支吊架型號(hào)為臥式 58H-48B 型，支吊架吊桿長(zhǎng)度約為6.5 m。斷裂位置位于吊桿上部與回轉(zhuǎn)框架的螺紋連接處，且吊桿端部發(fā)生局部彎曲變形。斷裂照片見圖 2、圖3。

2　材質(zhì)及斷口分析

2.1 宏觀分析及取樣方案

對(duì)斷裂的吊桿進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)斷口較為平整，并在端部發(fā)現(xiàn)明顯彎曲變形。斷裂發(fā)生在吊桿螺紋的第三級(jí)螺牙位置處。

清洗前斷口表面有較多腐蝕產(chǎn)物，并有兩處發(fā)亮部位為斷后兩個(gè)斷口相互摩擦產(chǎn)生的金屬光澤(見圖4)。

根據(jù) GB/T 700—2006 《碳素結(jié)構(gòu)鋼》要求，在吊桿從左至右位置分別取斷口、金相、力學(xué)性能測(cè)試試樣(見圖5)。

2.2 化學(xué)成分分析

依據(jù) GB/T 223.69—2008 《鋼鐵及合金碳含量的測(cè)定管式爐內(nèi)燃燒后氣體容量法》中鋼鐵及合金化學(xué)分析方法，對(duì)恒力支吊架吊桿取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。該吊桿的設(shè)計(jì)材料是Q235B，和GB/T 700—2006標(biāo)準(zhǔn)中 Q235B 材質(zhì)成分要求進(jìn)行對(duì)比，該吊桿的化學(xué)成分符合相關(guān)技術(shù)條件要求。

表1　斷裂恒力支吊架吊桿的化學(xué)成分

2.3 力學(xué)性能分析

依據(jù)GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》，對(duì)斷裂吊桿進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，在AG-IC島津電子拉伸萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載位移速率(mm/min)。采用直徑5 mm拉伸試樣，樣品尺寸見圖6,尺寸表見表2。試驗(yàn)結(jié)果見表3，拉桿力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

表2　拉伸試樣尺寸　mm

表3　拉伸試驗(yàn)結(jié)果

按照 GB/T 229—2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》 標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)采用 Zwick Amsler RKP 450 儀器化擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，對(duì)材料縱向取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣缺口軸線垂直于表面。在室溫下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。吊桿的沖擊功滿足 GB/T 700—2006標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4　沖擊試驗(yàn)結(jié)果　J

2.4 金相分析

根據(jù) GB/T 10561—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》和 DL/T 884—2004 《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)斷裂吊桿金相進(jìn)行夾雜物和組織分析。分析儀器為 KEYENCE VHX-1000 超景深金相顯微鏡。夾雜物分析觀察面為斷裂吊桿的軸向，組織分析觀察面為斷裂連桿的橫向(組織分析分為邊緣、1/2 半徑、圓心，見圖7～圖10)。夾雜物評(píng)級(jí)為 A 類(硫化物)2.5 級(jí)，D 類(球狀氧化物)1.5 級(jí)。組織為鐵素體+珠光體，分布均勻，晶粒度為 7～8 級(jí)。

金相分析結(jié)果表明：斷裂的吊桿組織及晶粒度正常，夾雜物偏多(但仍處于可接受范圍內(nèi))，材料無(wú)明顯冶金缺陷，表面無(wú)脫碳現(xiàn)象，材料熱處理狀態(tài)正常。

2.5 斷口分析

采用掃描電鏡(儀器型號(hào)為JSM-6480)進(jìn)行拉桿斷口形貌觀察。斷口形貌信息見圖11～圖14，能譜信息見圖15。

經(jīng)分析可以得出：

(1) 拉桿宏觀斷口整體較為平整，存在明顯的疲勞特征與貝紋線，微觀斷口觀察到兩個(gè)疲勞裂紋源，分別位于圖11中下邊緣的位置 1與位置 2 處，疲勞裂紋從兩處裂紋源向上部擴(kuò)展，位置 3 與位置 4 分別為快速擴(kuò)展區(qū)，位置 5 與位置 6 處為瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)為韌性斷裂。

(2) 裂紋源處未發(fā)現(xiàn)較大的夾雜，也未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的切削刀痕。經(jīng)觀察，裂紋源處存在擠壓金屬變形的痕跡。

3　力學(xué)分析

3.1 吊桿最大靜載荷計(jì)算

上部斷裂的吊桿螺栓規(guī)格為 M30，材料采用Q235B 鋼，在GB/T 17116.1—1997 《管道支吊架第1部分技術(shù)規(guī)范》中，規(guī)定Q235B材料吊桿在常溫下的最大許用應(yīng)力為83 MPa，考慮安裝和使用，在確定吊桿最大使用載荷時(shí)，許用應(yīng)力再降低25%為62 MPa，經(jīng)測(cè)量計(jì)算吊桿上部螺紋端截面積A=523 mm2。同時(shí)根據(jù)GB/T 17116.1—1997可知，螺紋吊桿的最大使用載荷為32.5 kN(見表5)。

表5　螺紋吊桿最大使用載荷

該恒力吊架的型號(hào)為58H-48B63 (44↑) /49.84 (KN)-M48，根據(jù)NB/T 47038—2013 《恒力彈簧支吊架》規(guī)范的要求，屬于 PHB 型臥式恒力吊架，設(shè)計(jì)載荷為 49.84 kN。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，計(jì)算最大設(shè)計(jì)拉伸靜載荷為：

[σ]sj=Fsj/A=49.84/523=95.3 MPa

通過(guò)計(jì)算，M30規(guī)格的螺栓的設(shè)計(jì)載荷高于材料的許用應(yīng)力62 MPa。因此，經(jīng)校核，吊桿螺栓規(guī)格尺寸及選材不能滿足設(shè)計(jì)要求[1-5]。

3.2 吊桿彎曲形變分析

根據(jù)竣工圖紙中的數(shù)據(jù)可知：該支吊架的冷位移X、Y、Z的方向分別為0 mm、1 mm、-12 mm；熱位移X、Y、Z的方向分別為42 mm、-151 mm、44 mm；X方向是管道軸向，Y方向是管道徑向，Z方向是垂直方向。從冷態(tài)和熱態(tài)的位移值可知：在X方向最大的位移達(dá)42 mm，在Y方向的位移達(dá)151 mm；Y方向支吊架吊桿會(huì)繞著恒吊的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，吊桿不產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；Z方向?yàn)檠刂鯒U方向，因此不會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。當(dāng)?shù)鯒U沿著X方向發(fā)生位移或擺動(dòng)(含沖擊)時(shí)，吊桿根部無(wú)法自由轉(zhuǎn)動(dòng)，管道擺動(dòng)幅度完全由吊桿形變來(lái)吸收而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力：

M=F×L

(1)

式中：M為彎曲應(yīng)力矩，N·m；F為作用力，N；L為長(zhǎng)度，即沿F的方向到恒力吊架根部固定點(diǎn)的垂直距離， m。由式(1)可以得出：當(dāng)管道擺動(dòng)幅度一定的情況下(F一定)，越靠近拉桿根部，L越大，吊桿的彎矩越大，彎曲應(yīng)力越大[6-9]。

因此，恒力吊架上吊桿螺紋處的彎曲應(yīng)力最大，最易發(fā)生彎曲形變。通過(guò)對(duì)斷裂拉桿的觀察也可以看出拉桿上部確實(shí)發(fā)生了較大的彎曲形變，分析認(rèn)為在機(jī)組啟、停機(jī)過(guò)程中，或者在運(yùn)行的某些異常時(shí)刻，較大的管道位移(擺動(dòng)幅度)引起了拉桿的彎曲形變。

3.3 疲勞源與吊桿受力對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖2～圖7恒力吊桿裂紋起裂部位的掃描電鏡斷口形貌分析可知，疲勞裂紋是從吊桿表面起裂的，而且發(fā)現(xiàn)起裂部位存在非常明顯的金屬形變。研究表明，大部分的疲勞裂紋都是由不均勻的金屬局部滑移和顯微開裂引起的，主要方式有表面滑移帶形成，第二相、夾雜物或其界面開裂及各類冶金缺陷等，而該吊桿并未在裂紋源處發(fā)現(xiàn)夾雜、第二相以及冶金缺陷或加工缺陷，主要是表面金屬的晶體相對(duì)滑移。從宏觀觀察可知，疲勞起裂的兩處疲勞源都集中在吊桿彎曲形變最大處，分析認(rèn)為，由于吊桿的彎曲形變導(dǎo)致了金屬表面晶體在平行于最大切應(yīng)力平面上的滑移，金屬的局部擠出形成滑移帶，該處是拉桿最敏感而容易起裂的位置。

4　綜合分析

通過(guò)對(duì)高溫再熱器出口管道恒力支吊架吊桿的宏觀、力學(xué)性能、化學(xué)成分等綜合分析得到如下結(jié)論：

(1) 斷裂吊桿的成分及力學(xué)性能(拉伸性能和沖擊性能)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 斷裂吊桿的金相組織及晶粒度正常，夾雜物偏多(但仍處于可接受范圍內(nèi))，材料無(wú)明顯冶金缺陷，表面無(wú)脫碳現(xiàn)象，材料熱處理狀態(tài)正常。

(3) 通過(guò)計(jì)算，M30的吊桿尺寸承受靜態(tài)載荷值不滿足設(shè)計(jì) 49.84 kN 的載荷要求，因此支吊架吊桿的選型上偏小，不能滿足管道的載荷需要，一旦機(jī)組啟停過(guò)程中管道的膨脹、收縮，極易導(dǎo)致吊桿受到交變應(yīng)力的作用而產(chǎn)生斷裂。

(4) 在電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，如啟、停機(jī)或某些瞬態(tài)，沿X、Y、Z方向管道均會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，該振動(dòng)會(huì)對(duì)吊架產(chǎn)生拉伸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力，尤其是吊桿為螺栓，螺紋處是應(yīng)力集中區(qū)，承受拉伸力的同時(shí)承受的彎矩較大，容易產(chǎn)生彎曲形變。但實(shí)際運(yùn)行中，管道振動(dòng)產(chǎn)生的位移幅度不大，相比熱位移幅度來(lái)說(shuō)要小得多，因此判斷管道振動(dòng)引起吊桿斷裂的可能性較小。

(5) 吊桿斷裂的形式為疲勞斷裂，由于管道熱位移較大，對(duì)吊架吊桿產(chǎn)生拉伸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力，在吊桿上部螺紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中，承受交變的拉伸載荷和彎曲載荷，疲勞裂紋從彎曲形變處起裂、擴(kuò)展后失穩(wěn)斷裂[10-12]。

(6) 該支吊架在機(jī)組檢修過(guò)程中進(jìn)行了調(diào)整，判斷為支吊架調(diào)整時(shí)未充分考慮到管道熱位移量，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行中管道熱位移較大，在吊桿上部螺紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中，再加上機(jī)組頻繁啟停，長(zhǎng)時(shí)間作用導(dǎo)致支吊架吊桿產(chǎn)生斷裂。

5　解決對(duì)策

針對(duì)高溫再熱器出口管道支吊架吊桿斷裂的問(wèn)題，采取如下措施：

(1) 重新對(duì)支吊架進(jìn)行載荷校驗(yàn)，利用機(jī)組停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)支吊架進(jìn)行更換。

(2) 管道的局部應(yīng)力集中不可避免，加強(qiáng)金屬技術(shù)監(jiān)督，如定期金相檢驗(yàn)等手段對(duì)管道及其附屬設(shè)備進(jìn)行壽命評(píng)估，確保管道的正常使用。

(3) 根據(jù)管系的膨脹量，重新核算該支吊架的調(diào)整值，充分考慮管道的熱位移量，利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)重新進(jìn)行調(diào)整。

(4) 采取臨時(shí)處理方案，更換斷裂吊桿及配套螺母，連接件規(guī)格由原設(shè)計(jì)的M30加大至M42，最大限度提高拉桿剛度和整個(gè)吊架的擺動(dòng)自由度。

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)支吊架吊桿進(jìn)行材料及力學(xué)性能等分析，得出支吊架吊桿斷裂的原因，提出了解決的措施，為火電廠鍋爐支吊架吊桿的研究提供參考。

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Beam Fracture Analysis of Constant Hangers for High-temperature Reheater Outlet Piping in a 600 MW Supercritical Boiler

Liu Shengming

(Guangdong Datang International Chaozhou Power Generation Co., Ltd.,Chaozhou 521000, Guangdong Province, China)

An introduction is presented to the beam fracture failure of constant hangers for high-temperature reheater outlet piping in a 600 MW supercritical boiler, together with an analysis performed on both the fracture and the beam, such as macrostructure, microstructure, chemical composition and mechanical properties, etc., and subsequently corresponding countermeasures are proposed, which may serve as a reference for treatment on beam fracture of constant hangers in similar boilers.

boiler; constant hanger; beam; high-temperature reheater; failure

2016-03-01

劉勝明(1962—)，男，工程師，從事電廠設(shè)備管理工作。

E-mail: lshm3579@163.com

TK224.9

A

1671-086X(2016)05-0333-05