200MW機(jī)組輸煤棧橋鋼桁架塌落原因分析及對(duì)策

房金秋 李奇桐 任繼紅 韓非

1.黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.龍電集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001；

3.華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠，黑龍江 哈爾濱150024

200MW機(jī)組輸煤棧橋鋼桁架塌落原因分析及對(duì)策

房金秋1李奇桐2任繼紅1韓非3

1.黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.龍電集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001；

3.華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠，黑龍江 哈爾濱150024

本文對(duì)國(guó)產(chǎn)200MW機(jī)組燃煤貯運(yùn)系統(tǒng)輸煤棧橋鋼桁架塌落原因進(jìn)行深入的分析和探討，通過(guò)對(duì)輸煤棧橋鋼桁架塌落斷口進(jìn)行化學(xué)成分分析、機(jī)械性能、金相、掃描電鏡及能譜試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了輸煤棧橋鋼桁架塌落的原因，是由于長(zhǎng)期運(yùn)行，使得鋼的抗拉強(qiáng)度降低，導(dǎo)致輸煤棧橋鋼桁架脆性斷裂，為預(yù)防類似事故的發(fā)生提供了理論依據(jù)。

脆性斷裂；抗拉強(qiáng)度；石墨；(Mn，F(xiàn)e)S夾雜物

引言

在國(guó)內(nèi)火電廠的燃煤貯運(yùn)系統(tǒng)中，輸煤棧橋是其重要組成部分，由于其很少發(fā)生故障或事故，長(zhǎng)期以來(lái)，其安全性受到大家的忽視，且很多輸煤棧橋已經(jīng)服役二、三十年，存在很大的安全隱患。我們通過(guò)對(duì)一起輸煤棧橋鋼桁架塌落事故進(jìn)行的原因分析，旨在引起大家對(duì)輸煤棧橋安全性的重視，舉一反三，防微杜漸，防止類似事故的多發(fā)。

1、事故現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)介

某電廠使用的兩臺(tái)200MW凝汽式機(jī)組，分別于1986年、1987年投產(chǎn)發(fā)電，其燃煤貯運(yùn)系統(tǒng)分為一期、二期兩套系統(tǒng)，一期輸煤系統(tǒng)為1、2號(hào)機(jī)組供煤。2011年1月10日上午10:38時(shí)，為1、2號(hào)機(jī)組輸煤的一期5號(hào)棧橋最高跨鋼桁架突然塌落，造成5號(hào)棧橋兩路皮帶斷裂，皮帶構(gòu)架脫落，附屬電纜及沖洗水管拉斷。

一期5號(hào)輸煤棧橋位于#2轉(zhuǎn)運(yùn)站與主廠房之間，總長(zhǎng)（水平）122.535m；5個(gè)柱距，柱間距分別為（以#2轉(zhuǎn)運(yùn)站為起點(diǎn)）24m，23.868m，17.607m，28.53m，28.53m；兩起點(diǎn)標(biāo)高分別為11.7m，39.936m（主廠房側(cè)）。棧橋?qū)挾?.9m。受力體系為，橫向采用框架結(jié)構(gòu)承重，縱向采用下承式鋼桁架承重，樁基礎(chǔ)支撐。結(jié)構(gòu)形式為，預(yù)制鋼筋混凝土槽型板，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架，焊接鋼桁架，預(yù)制鋼筋混凝土拱殼板。支柱與鋼桁架支座鉸聯(lián)接，主廠房側(cè)為滾軸支座。

塌落的鋼桁架跨度30m（斜長(zhǎng)）。沿運(yùn)煤皮帶運(yùn)行方向左右分別定義兩榀桁架為左榀鋼桁架、右榀鋼桁架。

首先是右榀鋼桁架塌落，鋼桁架塌落同時(shí)將整垮載荷全部加在左榀鋼桁架上，使左鋼榀桁架因承重超載而一同塌落，樓板及圍護(hù)結(jié)構(gòu)一同塌落。塌落后每榀鋼桁架各斷為兩截。右榀鋼桁架斷口：下弦桿在距鋼桁架跨中右側(cè)1.2m接頭焊縫處，上弦桿在鋼桁架跨中節(jié)點(diǎn)處。左鋼榀桁架斷口：上弦桿在中間節(jié)點(diǎn)，下弦桿未斷，腹桿從節(jié)點(diǎn)分離。上、下弦桿由兩根等邊角鋼加兩根不等邊角鋼構(gòu)成。其中下弦桿斷口平齊，無(wú)頸縮，呈脆性斷裂特征；上弦桿斷口桿件翼緣卷曲，有壓曲及觸地撞擊特征。

為了更準(zhǔn)確分析塌落原因，我們對(duì)斷口進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、常溫機(jī)械性能、彎曲試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡、能譜分析。

2、原因分析

2.1 宏觀檢驗(yàn)下弦桿斷口平坦,無(wú)剪切唇，斷面顏色較光亮，斷口呈人字紋放射線, 人字紋結(jié)點(diǎn)為裂紋源,其放射方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向。呈脆性斷裂特征。

2.2 用化學(xué)方法進(jìn)行成分分析，1號(hào)樣的含量符合前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 380—71的規(guī)定，合格。2號(hào)樣的Si（硅）和Mn（錳）含量超過(guò)前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 380—71的規(guī)定，其余合格。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 棧橋鋼桁架化學(xué)成分分析

2.31 號(hào)樣的下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不滿足前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 380—71的規(guī)定值，其余合格。2號(hào)樣的抗拉強(qiáng)度不滿足前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 380—71的規(guī)定下限值，其余合格。

1號(hào)樣和2號(hào)樣的抗拉強(qiáng)度下降，說(shuō)明該材料抵抗斷裂的能力降低，發(fā)生斷裂。

2.4 彎曲試驗(yàn)

根據(jù)前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 380—71的規(guī)定：壁厚小于等于20mm，彎心直徑等于0.5mm，冷彎角度180°，對(duì)1號(hào)樣和2號(hào)樣各兩塊進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，四塊彎曲試樣未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.5 金相檢驗(yàn)

斷口金相組織為鐵素體加珠光體，長(zhǎng)條狀、球狀(Mn，F(xiàn)e)S夾雜物。

2.6 掃描電鏡及能譜檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)1號(hào)樣和2號(hào)樣的斷口檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)斷口形貌為脆性斷口：扇形花樣、解理臺(tái)階、河流花樣、解理舌及大量彌散(Mn，F(xiàn)e)S夾雜物顆粒，是脆性斷裂。發(fā)現(xiàn)穿晶裂紋，未發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋，不是疲勞斷裂。并意外地發(fā)現(xiàn)有黑色條狀石墨和團(tuán)絮狀石墨存在。

3、分析討論

3.1 環(huán)境溫度的影響

引起解理斷裂的主要因素有環(huán)境溫度、介質(zhì)、加載速度、材料的晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織和應(yīng)力大小與狀態(tài)等。

塌落時(shí)，正值負(fù)載運(yùn)行，且氣溫很低，約-26℃。因此環(huán)境溫度影響很大。環(huán)境溫度影響解理裂紋擴(kuò)展時(shí)所吸收能量的大小,隨著溫度的降低,解理裂紋擴(kuò)展時(shí)所吸收的能量較小,更容易導(dǎo)致解理斷裂。

3.2 非金屬夾雜物對(duì)鋼的斷裂韌性影響

長(zhǎng)條狀和大顆粒(Mn,Fe)S夾雜物是直接由鋼液中熔融狀態(tài)液滴狀(Mn,Fe)S夾雜物在鋼凝固后形成的。非常細(xì)小的球狀或錐狀(Mn,Fe)S夾雜物是因鋼液中Mn和S的含量較高，在鋼凝固時(shí)從鋼液中析出的。

硫及硫化物的含量增加降低鋼的各種韌性指標(biāo)，鋼的斷裂韌性隨著夾雜物數(shù)量或長(zhǎng)度的增加而下降。通過(guò)對(duì)硫化物和氮化物夾雜對(duì)鋼的斷裂韌性的影響研究了，結(jié)果得出：對(duì)斷裂韌性的危害由小到大依次為VN→TiS→AlN→NbN→ZrN→Al2S3→CeS→MnS；夾雜物含量與斷裂韌性大小呈線性反比關(guān)系，TiS對(duì)斷裂韌性沒(méi)有影響。一些研究工作討論了夾雜物作為裂紋根源的作用問(wèn)題，研究證明，鋼中的脆性?shī)A雜物由于與鋼基體的熱膨脹系數(shù)不同，在夾雜物周圍容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

3.3 鋼中團(tuán)絮狀石墨的危害

石墨本身的強(qiáng)度極小，在鋼中可以把它看成是孔洞和裂縫。石墨的存在，一方面破壞了金屬基體的連續(xù)性，縮小了真正承載載荷的有效截面；另一方面，它產(chǎn)生缺口效應(yīng)，導(dǎo)致應(yīng)力集中。鋼在軋制和使用過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生團(tuán)絮狀石墨；只能是非正常冶煉工藝過(guò)程添加不能固溶的碳形成的。碳素鋼中正常冶煉和軋制均不能產(chǎn)生石墨，鋼中存在不能固溶的石墨碳導(dǎo)致鋼的基體強(qiáng)度大大下降。[4]

4、結(jié)語(yǔ)

某電廠一期輸煤5號(hào)棧橋鋼桁架塌落的斷口為脆性斷裂。抗拉強(qiáng)度不滿足規(guī)程要求、環(huán)境溫度低、鋼中形成團(tuán)絮狀石墨和非金屬夾雜物(Mn,Fe)S的大量存在均是加劇脆性斷裂的因素。

此次事故表明，使用重大承重鋼結(jié)構(gòu)的單位應(yīng)該定期增加機(jī)械性能和金相檢驗(yàn)，盡早發(fā)現(xiàn)和排除設(shè)備隱患，對(duì)保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有實(shí)際意義。

[1]林慧國(guó)，周人俊編.世界鋼號(hào)手冊(cè)[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，198 5

[2]姜錫山,趙晗編著.鋼鐵顯微斷口速查手冊(cè)[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[3]火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009

[4]《金相圖譜》編寫組.金相圖譜[M].北京：電力工業(yè)出版社，198 0

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.063

房金秋 女，高級(jí)工程師，1964年7月生，1987年7月畢業(yè)于東北工學(xué)院金屬材料與熱處理專業(yè)，畢業(yè)后一直在黑龍江省電力科學(xué)研究院金屬研究所從事定期檢驗(yàn)和失效分析。