張 杰,張美玲,賀 艷

(深圳市質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測(cè)研究院,廣東 深圳 518029)

0 引 言

除渣機(jī)是電站鍋爐的主要輔機(jī)之一,其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響鍋爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1-2]。作為除渣機(jī)的重要部件,擺臂若受到損壞不能正常工作,將直接導(dǎo)致除渣機(jī)失效,使?fàn)t渣不能及時(shí)清除,進(jìn)而影響鍋爐的熱效率,同時(shí)鍋爐本體使用壽命也會(huì)受損。因此,對(duì)除渣機(jī)擺臂損壞原因進(jìn)行針對(duì)性地分析,才能制定預(yù)防類(lèi)似事故的措施和對(duì)策,從而保障機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 事故概況

2020年,某電站鍋爐除渣機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,其擺臂發(fā)生斷裂。該電站鍋爐除渣機(jī)于2019年投入使用,除渣機(jī)擺臂結(jié)構(gòu)如圖1所示,擺臂主要由擺臂主體與抱箍(包括上抱箍與下抱箍)組成。其中上抱箍與下抱箍通過(guò)螺栓連接,下抱箍與擺臂主體通過(guò)焊縫連接,斷裂位置位于下抱箍與擺臂主體連接處。抱箍為鑄鋼件,牌號(hào)為ZG230-450;擺臂主體材料為Q345B。

圖1 除渣機(jī)擺臂結(jié)構(gòu)

2 宏觀檢查

2.1 整體宏觀檢查

除渣機(jī)擺臂斷裂后形貌如圖2所示,其中圖2(a)為除渣機(jī)擺臂斷裂后下抱箍形貌,圖2(b)為除渣機(jī)擺臂斷裂后擺臂主體形貌。由圖可知,此次除渣機(jī)擺臂斷裂主要是下抱箍與擺臂主體分離,下抱箍與擺臂主體原本是通過(guò)角焊縫連接,除了除渣機(jī)擺臂下頜端分離的位置是在擺臂主體的母材上,其余分離位置(包括上頜端與中間端)均為下抱箍與擺臂主體的結(jié)合處(角焊縫位置)。由以上形貌特征可知,除渣機(jī)擺臂斷裂應(yīng)從上頜端開(kāi)始,最后斷裂位置位于下頜端。

圖2 除渣機(jī)擺臂斷裂后宏觀形貌

2.2 上頜端宏觀檢查

對(duì)除渣機(jī)擺臂上頜端(包括下抱箍與擺臂主體)進(jìn)一步宏觀檢查可知，在除渣機(jī)擺臂上頜端的下抱箍的焊縫上存在明顯氣孔、焊渣、未熔合缺陷，如圖3(a)所示;在除渣機(jī)擺臂上頜端的擺臂主體上，還保留有母材的原始火焰切割形貌及不規(guī)則的坡口，兩側(cè)有殘留焊縫斷口，焊縫斷口上可見(jiàn)氣孔、夾雜，如圖3(b)所示。將上頜區(qū)的下抱箍部分區(qū)域與擺臂主體部分區(qū)域拼接后發(fā)現(xiàn),側(cè)面能完全拼接在一起,如圖4(a)所示;但正面形貌可見(jiàn)焊縫中間存在較大的空隙,空隙貫穿整條焊縫,空隙橫截面積約占整個(gè)焊縫橫截面積的2/3,如圖4(b)所示。

圖3 除渣機(jī)擺臂斷裂后上頜端宏觀形貌

圖4 下抱箍與擺臂主體拼接后宏觀形貌

3 理化檢驗(yàn)

3.1 化學(xué)成分分析

分別截取除渣機(jī)的下抱箍、擺臂主體、焊縫試樣,經(jīng)清洗、干燥、打磨后,采用電火花直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表1～表3。由表1可知,下抱箍化學(xué)成分符合JB/T 5939—2018《工程機(jī)械鑄鋼通用技術(shù)條件》對(duì)ZG230-450的技術(shù)要求[3];由表2可知,擺臂主體化學(xué)成分符合GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)Q345B的技術(shù)要求[4];由表3可知,焊縫化學(xué)成分符合GB/T 5117—2012《非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條》對(duì)E5015的技術(shù)要求[5],故推測(cè)焊縫材料牌號(hào)可能是E5015。

表1 下抱箍化學(xué)成分分析

表2 擺臂主體化學(xué)成分分析

表3 焊縫化學(xué)成分分析

3.2 顯微組織分析

在除渣機(jī)擺臂的下抱箍、擺臂主體及焊縫上分別截取橫截面試樣,經(jīng)打磨、拋光后,用4 %硝酸酒精溶液浸蝕,橫截面顯微組織如圖5所示。其中下抱箍端母材的顯微組織為鐵素體+珠光體,為鑄態(tài)組織,如圖5(a)所示;焊縫顯微組織為枝晶組織,如圖5(b)所示;擺臂主體顯微組織為鐵素體+珠光體,并呈帶狀分布,如圖5(c)所示。以上組織中均未出現(xiàn)異常情況。

圖5 顯微組織

3.3 硬度分析

分別對(duì)除渣機(jī)的下抱箍、擺臂主體、焊縫等部位多次截取試樣,經(jīng)打磨及拋光后,進(jìn)行硬度測(cè)試,具體結(jié)果見(jiàn)表4～表6。由表4可知,下抱箍維氏硬度平均值為145,根據(jù)GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》,換算出下抱箍的抗拉強(qiáng)度約為465 MPa[6],符合JB/T 5939—2018《工程機(jī)械鑄鋼通用技術(shù)條件》對(duì)ZG230-450的技術(shù)要求;由表5可知,擺臂主體的維氏硬度平均值為191,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)換算出擺臂主體的抗拉強(qiáng)度約為610 MPa,符合GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)Q345B的技術(shù)要求;由表6可知,焊縫的維氏硬度平均值為193,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)換算出焊縫的抗拉強(qiáng)度約為620 MPa,符合GB/T 5117—2012《非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條》對(duì)E5015焊條的技術(shù)要求,與理化成分分析的結(jié)果相符,進(jìn)而可以判斷出焊縫材料牌號(hào)為E5015。

表4 下抱箍維氏硬度測(cè)試結(jié)果

表5 擺臂主體維氏硬度測(cè)試結(jié)果

表6 焊縫硬度測(cè)試結(jié)果

3.4 可焊性分析

通常可以根據(jù)鑄鋼件的化學(xué)成分來(lái)確定其焊接性,鋼中各元素對(duì)焊接性能的影響采用碳當(dāng)量表示,其計(jì)算式為

Ceq=w(C)+1/6w(Mn)+1/3w(Cr)+

1/4w(Mo)+1/5w(V)+

1/15w(Ni)+1/13w(Cu)

(1)

式中:Ceq為碳當(dāng)量,%;w為元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

將下抱箍化學(xué)成分與擺臂主體成分分別代入式(1)中,可得ZG230-450的碳當(dāng)量約為0.26 %,Q345B的碳當(dāng)量為0.39 %。

4 綜合分析

結(jié)合化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)、硬度測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)化成的抗拉強(qiáng)度值及其顯微組織狀態(tài)可知,除渣機(jī)擺臂下抱箍的材料為ZG230-450、擺臂主體材料為Q345B、焊縫材料為E5015,且下抱箍、擺臂主體及焊縫組織中均未見(jiàn)異常。通常情況下,碳當(dāng)量不超過(guò)0.45%時(shí),材料焊接性良好,通過(guò)對(duì)下抱箍材料及擺臂主體材料的碳當(dāng)量計(jì)算可知,二者的碳當(dāng)量均小于0.4%,符合要求[7];E5015屬于結(jié)構(gòu)鋼焊條,可用于全位置焊接[8]。因此,除渣機(jī)擺臂的選材沒(méi)有問(wèn)題。

根據(jù)宏觀檢查可知,除渣機(jī)擺臂斷裂位置位于下抱箍與擺臂主體連接處,起裂源在除渣機(jī)擺臂的上頜端,最后斷裂區(qū)位于除渣機(jī)擺臂的下頜端。在上頜端區(qū)域,大部分下抱箍連著焊縫與擺臂主體幾乎完全剝離,在下抱箍的焊縫上可見(jiàn)氣孔、焊渣及未熔合缺陷,在擺臂主體的殘留焊縫上也可見(jiàn)氣孔、夾雜。將上頜端的下抱箍與擺臂主體拼接回去,可見(jiàn)焊縫中存在大范圍的未焊透缺陷。在下抱箍與擺臂主體連接的焊縫實(shí)際橫截面積只有名義焊縫橫截面積的1/3,由此將導(dǎo)致焊接有效強(qiáng)度急劇下降。在工作應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,在焊接缺陷處易產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展,直至斷裂。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)宏觀檢查和理化檢驗(yàn)分析可知,該除渣機(jī)擺臂存在大量焊接缺陷,制造質(zhì)量較差是發(fā)生斷裂的主要原因,與材質(zhì)本身無(wú)關(guān)。雖然此次除渣機(jī)擺臂的斷裂未造成重大事故,但必須引起重視。為減少類(lèi)似事故發(fā)生,建議使用單位暫停同批次除渣機(jī)擺臂使用,待檢測(cè)質(zhì)量合格或者更換擺臂后再行使用;同時(shí)建議原除渣機(jī)擺臂制造單位加強(qiáng)內(nèi)部質(zhì)量管理,提高產(chǎn)品質(zhì)量。