锅炉低温过热器吊挂管断裂原因分析

郑文超

(黑龙江省火电第三工程公司，黑龙江 大庆 163711)

锅炉低温过热器吊挂管断裂原因分析

郑文超

(黑龙江省火电第三工程公司，黑龙江 大庆 163711)

在某电厂扩建2×300 MW机组工程锅炉低温过热器吊挂管水平运输及吊装过程中,先后有7根吊挂管发生横向断裂,通过现场观测及各种试验与分析，确认低温过热器吊挂管横向断裂的原因为设备厂家提供的管母材冲击韧性过低和挂件焊缝不合格所致。

低温过热器；吊挂管 ；横向断裂；原因分析

黑龙江省火电第三工程公司承建的某电厂扩建工程2×300 MW机组项目, 锅炉水平低温过热器吊挂管规格为φ60×12 mm,材质为20G。由设备厂家完成焊接在管上的耳板,固定、吊挂低温过热器管排。每片低温过热器上、中、下三组蛇形管,每两根吊挂管双面固定两片低温过热器管排。

低温过热器组合完成后,在水平倒运、起吊的过程中,吊挂管先后断裂了7根,对此,设备厂家给出了这样的结论:断裂的原因是由于φ60×12mm的20 G小口径钢管在较低温度下抗冲击韧性储备不足,在吊运和安装的过程中,吊挂管受到了较大的弯矩和瞬间的冲击载荷,导致瞬间断裂。实际上,低温过热器水平倒运时,每组蛇形管上设2个吊点,整个组件共6个吊点,载荷均布,平稳抬升,竖向起吊时有专用的固定架。另外,第一根吊挂管断裂发生在10月29日下午14∶00时后,当天气温官方天气预报为+1 ℃～+7 ℃,排除了低温脆断的可能性。由此可见,设备厂家的给出的结论是站不住脚的,为了弄清原因,落实责任,保证机组质量及安全,现场几家单位抽调人力对断口及管材进行了分析。

1 原因分析

1.1 宏观断口形貌

从断管中随机取样,宏观断口形貌如图1所示。

图1 宏观断口形貌

在图1中,管为横向断裂,断裂点为厂家焊接耳板端部,从断口上的放射花样指向看,裂纹起裂于管板连接焊缝的起弧收弧处,起裂处由于电弧擦伤，因此形成一个弧坑。断口为结晶状,结晶面较粗大。断口处无明显塑性变形痕迹,为脆性断裂。

1.2 化学分析

从断管上取样进行化学分析,其结果如表1所示。

表1 断管材质化学分析结果

从表1数据可知,化学分析结果符合GB5310-2008中20G母材化学成分的要求。

1.3 力学性能测试

从断管上取样,进行拉伸和常温冲击韧性试验(按GB5310-2008规定,直径D≥76 mm,且壁厚S≥14 mm的钢管应做冲击韧性试验。φ60×12 mm规格的钢管可不进行冲击韧性试验,但管为脆断,为了解脆断的原因进行了冲击韧性试验),取样时避开焊缝热影响区,以便准确地获得管母材的力学性能数据,如表2所示。

表2 断管力学性能数据

从表2数据可知,拉伸性能满足GB5310-2008中20G的要求,但冲击吸收能量太低[1]。

1.4 金相组织分析

从断管起裂处带有耳板侧取样进行了金相组织分析。金相观察面为纵向,穿过起裂点。管母材金相组织照片如图2所示,为铁素体+珠光体,有带状特征[2],应为20G钢管热轧后组织。

图2 管母材金相组织

焊缝热影响区金相组织如图3所示,为马氏体+贝氏体,显微硬度HV0.1为398、420、446。起裂处的金相形貌如图4所示,起裂点位于紧靠熔合线的过热区。

图3 焊缝热影响区金相组织(400x)

图4 起裂处的金相形貌(150x)

1.5 综合分析

从几组断口宏观形貌上看,管是脆性断裂,断裂的起始点为厂家焊接耳板端部焊缝的起弧收弧处,该处不同程度的存在咬边、弧坑外观缺陷,其中有一组管样角焊缝金属沿与管的熔化结合面分离,熔合面处焊缝光滑,表明焊缝金属与母材之间存在未熔合缺陷[3]。

过热区存在马氏体组织,以致近缝区管母材的塑韧性降低。这应与焊接时工件温度较低和焊接参数太小有关。现场查看,大部分耳板角焊缝焊脚高度3 mm左右,耳板厚度为6 mm,焊脚高度不足,焊缝成型不是圆滑过渡,表明焊接热输入量过小。

三个常温冲击韧性试样的冲击吸收功分别为12J、9J、8J。对于直径D≥76 mm,且壁厚S≥14 mm的20G高压锅炉用无缝钢管,GB5310-2008标准要求横向冲击吸收功不低于27J,《蒸汽锅炉安全技术监察规程》第22条明确规定,“用于制造锅炉受压元件的碳素钢室温时的夏比(“V”型缺口试样)冲击吸收功不低于27J”。由此可以看到，吊挂管母材冲击吸收功过低,塑韧性极差,不符合规范标准的要求。而取样时避开了热影响区,并且材料化学分析合格,这进一步表明钢材存在金相组织上的缺陷。

GB5310-2008中的关于20G显微组织的表述:“优质碳素结构钢应为铁素体加珠光体”。低温过热器吊挂管母材金相组织为铁素体+珠光体,有带状特征。这种组织也称为二次带状组织或者“纤维组织带状”[4]。由金属学的相关知识可知,带状组织是钢材中的缺陷性组织,是钢锭中粗大的枝晶偏析在轧制过程中形成的,并与轧制方向一致。带状组织的存在使钢的组织不均匀,形成各向异性[5],降低钢材的塑性、冲击韧性和断面收缩率。

综合上述,发生脆断的主要原因是管母材的冲击韧性太低；其次是焊缝过热区金属中存在马氏体组织，以及焊缝存在弧坑、咬边、未熔合等缺陷。

2 解决措施

该台锅炉低温过热器共51个组件,到吊挂管发生断裂时,已经安装了39个组件。工程建设各方基于工程进度、经济成本的考量,经现场三次专题分析会议及反复的协商后,决定为保证质量及机组安全,妥善解决安装锅炉水平低温过热器出现的吊挂管断裂问题，由设备厂家免费重新提供设备。

[1] 刘庆潭.材料力学[M].北京：机械工业出版社，2003. LIU Qingtan. Material machenism[M]. Beijing：China Machine Press, 2003.

[2] 蔡珍,黄运华,张跃,等.冷却速度对铁素体-珠光体带状组织的影响机制[J].钢铁研究学报,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] 叶琦.焊接技术[M].北京：化学工业出版社,2010. YE Qi. Wielding technology[M].Beijing：Chemical Industry Press, 2010.

[4] 宋维锡.金属学[M].北京:冶金工业出版社,1989. SONG Weixi. Metallography [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1989.

[5] 周绮,季根顺,杨瑞成，等.管线钢中带状组织与氢致开裂[J].甘肃工业大学学报,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.

(责任编辑 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。

郑文超(1971—),男，高级工程师，主要从事火电施工项目管理工作。

TM621.26

A

2095-6843(2015)06-0554-03