1、 ：机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因陈盛广，冯铁玲，朱建华，史志刚，许春茂，李楠林，张允洲，毕昌宏，李亚亮（西安热工研究院有限公司，西安 ；华能南京金陵发电有限公司，南京 ）摘要：某超超临界 机组高温再热器入口集箱刚性吊架螺纹吊杆发生断裂，采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、室温拉伸性能测试、金相检验、断口分析等方法对其断裂原因进行分析。结果表明：螺纹吊杆断面附近存在明显颈缩现象，整个断面上均存在蠕变孔洞，蠕变孔洞长大、聚集并形成蠕变裂纹；炉顶大包内实测温度大幅超过了原设计值，在实测温度下轴向应力计算值超标，在高温和高应力作用下，在应力集中的牙根部位发生蠕变断裂。关键词：高温再热器；螺
2、纹吊杆；蠕变断裂；温度测量中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：西 安 热 工 研 究 院 有 限 公 司 发 展 基 金 项 目（）作者简介：陈盛广（），男，硕士，研究员，主要从事材料失效分析、管道应力分析与支吊架优化调整、管道振动控制与安全性评估工作，（，；，）：，：；刚性吊架是电站锅炉炉顶集箱系统的重要组成部分，其承载状态直接影响集箱的应力分布和大小，应力是导致管道、集箱及相连受热面寿命缩短的重要原因。如果刚性吊架的材料等级偏低，吊架安装时受力不均、运行时超载，就会发生吊架断裂、集箱及管座焊缝开裂的事故，从而影响机组的安全生产、提高维修成本。某电厂已投入运行 的 机
3、组高温再热器入口集箱的刚性吊架发生断裂，集箱刚性吊架位于炉顶大包内，刚性吊架除承受常规载荷外，还承受炉内的高温环境。笔者采用一系列理化检验方法分析了其断裂原因，为炉顶集箱刚性吊架的安全运行及维护提供技术支持。陈盛广，等：机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因理化检验宏观观察某超超临界 机组高温再热器的左侧集箱，刚性吊架螺纹吊杆发生断裂，高温再热器入口集箱的中部向下弯曲变形。采用激 光 水 平 仪 测 量 集 箱 的 最 大 弯 曲 变 形 量 达。断口位于大包内小罩下方靠近管夹的螺纹段，均断裂于牙根部位，断面不平整且较为粗糙，断口均无宏观缺陷。根据断口表面氧化及颈缩结构特征，确定最开始断裂的是
4、刚性吊架，因此选取左侧集箱中部的刚性吊架进行分析。刚性吊架螺纹吊杆总长度约为 ，中间光杆直径为，两端螺纹长度为 ，螺距为，按照 圆柱螺纹检测方 法 测 量 螺 纹 根 部 的 圆 弧 半 径 为 ，圆弧半径符合要求。宏观检查发现螺纹吊杆外表面呈红褐色（见图），且断裂于光杆附近的螺纹根部，断口附近存在颈缩现象并向一侧弯折，最大颈缩量为。断面呈图螺纹吊杆宏观形貌红褐色、表明不平整且粗糙，源区位于螺纹根部表面且较为平整，终断区位于断口源区对侧且面积较小，断面未见明显疲劳弧线，断口宏观形貌如图所示。图断口宏观形貌化学成分分析依据相关标准 低合金钢多元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法 和 钢铁 总碳
5、硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外吸收法 对螺纹吊杆材料进行化学成分分析，结果如表所示。由表可知：螺纹吊杆的各项化学成分均符合 高温用锻制或轧制合金钢公称管道法兰、锻制管配件、阀门和零件 标准的相关要求。室温拉伸性能测试在螺纹吊杆远离断口部位和断口部位附近分别截取个轴向拉伸试样，依据 金属材料 拉伸试验 第部分：室温试验方法 对螺纹吊杆试样进行室温拉伸性能测试，结果如表所示。由 表可 知：各 试 样 的 拉 伸 性 能 均 满 足 对 钢级的要求。表螺纹吊杆的化学成分分析结果项目质量分数 实测值 标准值级 级 表试样的室温拉伸试验结果项目抗拉强度 断面收缩率断后伸长率塑性延伸强度 试样 试样
6、实测值试样 试样 标准值级 级 硬度测试在螺纹吊杆基体部位分别截取个硬度试样，依据 金属材料 维氏硬度试验第部分：试验方法，使用维式硬度计进行硬度测试，检测载荷设定为，持续时间为，依据 金属材料 硬度值的换算 将维式硬度换算为布氏硬度，结果如表所示。由表可知：螺 纹 吊 杆 基 体 各 试 样 的 布 氏 硬 度 均 符 合 对 钢级的要求。扫描电镜分析在扫描电镜（）下观察螺纹吊杆的断裂部位，结果如图所示。由图可知：酸洗前螺纹吊杆断面覆盖有大量的氧化产物；酸洗后螺纹吊杆断面陈盛广，等：机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因源区未见机械损伤等缺陷；整个断面上存在大量的蠕变孔洞；断面上未见条带等疲
7、劳特征。表基体试样的硬度检测结果项目测点测点测点平均值换算值试样 试样 实测值试样 试样 标准值级 级 金相检验在螺纹吊杆近断口径向及轴向分别截取试样及试样，在远离断口位置轴向截取试样，依据 钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法 进行非金属夹杂物检测，依据 金属平均晶粒度测定方法 进行晶粒度评级，依据 金属显微组织检验方法 进行金相检验。试样的非金属夹杂物微观形貌如图所示，各类非金属夹杂物含量均小于级，符合标准要求。各试样的显微组织形貌如图所示，由图可知：试样的晶粒度为级，显微组织为珠光体铁素体，符合产品技术要求。在螺纹吊杆断口附近垂直断面截取个轴向金相试样，在光学显微镜下观察，结
8、果如图所示。由图可知：断面附近存在大量的蠕变孔洞，部分已于晶界处形成蠕变裂纹；开裂源区及近断面螺纹根部附近的显微组织均存在明显的晶粒拉长形变、蠕变裂纹及蠕变孔洞。强度校核分析刚性吊架的相关设计参数如表所示，刚性吊架断裂的螺纹吊杆规格为 ，材料为 钢，设计载荷为 ，设计工作温度为 。表刚性吊架的相关设计参数编号螺纹吊杆规格材料设计温度设计载荷设计温度许用应力 螺纹小径 钢 根据设计要求，轴向应力计算值为（）（）式中：为轴向拉应力；为刚性吊架设计载荷；为螺纹根部小径。强度校核计算结果表明：吊杆螺纹根部的轴向图断面的 形貌拉应力为 ，小于设计温度下的许用应力 ，在许用应力范围内。断面上存在大量的蠕变
9、孔洞，螺纹吊杆可能存在工作温度偏高的问题，因此在大包内螺纹吊杆靠近螺纹的光杆上安装了若干温度测点，监测结果表明，螺纹吊杆的实际最高工作温度为 。由 锅炉及压力容器规陈盛广，等：机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因图试样的非金属夹杂物微观形貌图各试样的显微组织形貌范：第卷 篇 可知，钢在 时的许用应力为 ，在实测工作温度下，螺纹根部轴向拉应力超过其许用值。为了掌握螺纹根部截面应力的分布及断裂过程，图试样 断口的显微组织形貌对断裂段进行有限元分析，沿螺纹根部截面直径方向的轴向拉应力计算结果如图所示。由图可知：螺纹根部圆周外表面的轴向拉应力最高，由圆周至圆心快速降低后基本不变，其中根部的最大轴向应
10、力为 ，超过了实际工作温度下的屈服强度 ，螺纹吊杆于断口附近发生颈缩现象。综合分析螺纹吊杆的化学成分、硬度、室温拉伸性能、非金属夹杂物含量、晶粒度及显微组织均符合相关标准的要求，试样断面源区未见机械损伤。陈盛广,等:1 0 0 0 MW机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因图7 螺纹根部应力分布宏观观察结果表明:螺纹吊杆断裂于光杆附近的牙根部位,试样断面起伏较大,较为粗糙;断口裂纹源位于螺纹根部表面,终断区位于断口源区对侧。断面附近存在明显的颈缩,最大颈缩量为1 1%,说明存在超载现象。断面附近均存在蠕变孔洞;断面上未见弧线或条带等疲劳特征。在运行过程中,螺纹吊杆在高应力和高温作用下,螺纹根部
11、应力超标,形成蠕变孔洞,孔洞聚集、长大直至产生裂纹,甚至发生断裂。此外,现场检查发现,集箱支吊架存在受力不均现象,部分支吊架超载。强度校核计算结果表明,螺纹吊杆牙根轴向拉应力计算结果为7 2.4 M P a,大于实测最高工作温度时的许用应力4 0.1 M P a;有限元计算结果表明,螺纹吊杆最大应力位于牙根表面,且超过了其屈服强度,计算结果与颈缩现象及断口金相检验结果一致,因此裂纹起源于牙根表面并向中部扩展。综上所述,在高温和高应力作用下,螺纹吊杆应力集中部位的螺纹牙根表面产生蠕变裂纹,并向中部扩展直至断裂。4 结论(1)螺纹吊杆的化学成分、硬度、室温拉伸性能、非金属夹杂物含量、晶粒度及显微组
12、织均符合相关规定;断面源区未见机械损伤等缺陷;在高温及大拉力作用下,在牙根截面产生蠕变孔洞,随着蠕变孔洞的长大与聚集,最终形成蠕变裂纹。(2)螺纹吊杆实测温度大幅超过了原设计温度,因牙根表面应力超过其屈服强度,产生蠕变裂纹,裂纹逐渐向中部扩展直至断裂。(3)建议根据实测温度,对炉顶各集箱支吊架进行强度校核计算,将超标的部件材料等级提升或规格增大;改善燃烧方式,避免结焦;按照相关规程要求,定期对集箱支吊架进行检验与优化调整,使支吊架正常承载。参考文献:1 王海帅,张鹏,胡锋.某恒力吊架弹簧连杆断裂原因分析J.理化检验(物理分册),2 0 2 0,5 6(4):4 6-4 8,6 4.2 王昊,宋
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14、锅炉高温再热器出口管道恒力支吊架吊杆断裂失效分析J.发电设备,2 0 1 6,3 0(5):3 3 3-3 3 7.(上接第1 1页)7 宋仁国,曾梅光,张宝金.氢致7 1 7 5铝合金韧脆断裂转变行为J.东北大学学报(自然科学版),1 9 9 6(3):2 8 7-2 9 0.8 宫波,赖祖涵.7 0 5 0高强铝合金晶界偏析和氢致应力腐蚀开裂J.材料科学进展,1 9 8 8,2(6):5 1-5 5.9 祁星,宋仁国,王超,等.阴极极化对7 0 5 0铝合金应力腐蚀行为的影响J.中国有色金属学报,2 0 1 4,2 4(3):6 3 1-6 3 6.1 0 郑传波,益帼,高延敏.高强铝合金应力腐蚀及氢渗透行为研究进展J.腐蚀与防护,2 0 1 3,3 4(7):6 0 0-6 0 4.1 1 陈小明,宋仁国.7 0 0 0系铝合金应力腐蚀开裂的研究进展J.腐蚀科学与防护技术,2 0 1 0,2 2(2):1 2 0-1 2 3.1 2 滕奎,罗先甫,李红萍,等.7 0 5 5铝合金T型型材的应力腐蚀行为研究J.材料开发与应用,2 0 2 1,3 6(4):4 4-5 0.1 3 杨晓,罗先甫,陈洁明,等.高强铝合金氢致开裂研究进展J.理化检验(物理分册),2 0 2 0,5 6(8):2 3-2 6,4 2.53