600 MW超臨界機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

(廣東大唐國際潮州發電有限責任公司， 廣東潮州 521000)

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600 MW超臨界機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

(廣東大唐國際潮州發電有限責任公司， 廣東潮州 521000)

介紹了某電廠發電機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，通過對高溫再熱器出口管道恒力支吊架吊桿的宏觀、化學成分、力學性能、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，對同型號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流體的重量和保溫材料的重量；同時支吊架還應滿足管道熱補償和位移的要求，以及減小管道的振動。但是，由于支吊架吊桿的材質、載荷、冷態調整等方面的問題，使得支吊架在機組運行過程中存在損壞的風險，嚴重影響機組的安全可靠運行。因此，利用宏觀、化學成分、力學性能、金相、斷口等分析對支吊架吊桿斷裂的研究很有必要。

1　設備及支吊架缺陷的介紹

某電廠機組鍋爐采用超臨界本生(Benson)直流鍋爐，型號為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。

在運行過程中發現71.984 m處高溫再熱器出口爐前側7號恒力支吊架的吊桿斷裂，支吊架型號為臥式 58H-48B 型，支吊架吊桿長度約為6.5 m。斷裂位置位于吊桿上部與回轉框架的螺紋連接處，且吊桿端部發生局部彎曲變形。斷裂照片見圖 2、圖3。

2　材質及斷口分析

2.1 宏觀分析及取樣方案

對斷裂的吊桿進行宏觀檢查，發現斷口較為平整，并在端部發現明顯彎曲變形。斷裂發生在吊桿螺紋的第三級螺牙位置處。

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

根據 GB/T 700—2006 《碳素結構鋼》要求，在吊桿從左至右位置分別取斷口、金相、力學性能測試試樣(見圖5)。

2.2 化學成分分析

依據 GB/T 223.69—2008 《鋼鐵及合金碳含量的測定管式爐內燃燒后氣體容量法》中鋼鐵及合金化學分析方法，對恒力支吊架吊桿取樣進行化學成分分析，結果見表1。該吊桿的設計材料是Q235B，和GB/T 700—2006標準中 Q235B 材質成分要求進行對比，該吊桿的化學成分符合相關技術條件要求。

表1　斷裂恒力支吊架吊桿的化學成分

2.3 力學性能分析

依據GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》，對斷裂吊桿進行拉伸性能測試，在AG-IC島津電子拉伸萬能試驗機上進行，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。試驗結果見表3，拉桿力學性能滿足標準規范要求。

表2　拉伸試樣尺寸　mm

表3　拉伸試驗結果

按照 GB/T 229—2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》 標準，試驗采用 Zwick Amsler RKP 450 儀器化擺錘沖擊試驗機，對材料縱向取樣進行沖擊試驗，試樣缺口軸線垂直于表面。在室溫下進行沖擊試驗，試驗結果見表4。吊桿的沖擊功滿足 GB/T 700—2006標準的要求。

表4　沖擊試驗結果　J

2.4 金相分析

根據 GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》和 DL/T 884—2004 《火電廠金相檢驗與評定技術導則》對斷裂吊桿金相進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)。夾雜物評級為 A 類(硫化物)2.5 級，D 類(球狀氧化物)1.5 級。組織為鐵素體+珠光體，分布均勻，晶粒度為 7～8 級。

金相分析結果表明：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)，材料無明顯冶金缺陷，表面無脫碳現象，材料熱處理狀態正常。

2.5 斷口分析

采用掃描電鏡(儀器型號為JSM-6480)進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展，位置 3 與位置 4 分別為快速擴展區，位置 5 與位置 6 處為瞬斷區，瞬斷區為韌性斷裂。

(2) 裂紋源處未發現較大的夾雜，也未發現嚴重的切削刀痕。經觀察，裂紋源處存在擠壓金屬變形的痕跡。

3　力學分析

3.1 吊桿最大靜載荷計算

上部斷裂的吊桿螺栓規格為 M30，材料采用Q235B 鋼，在GB/T 17116.1—1997 《管道支吊架第1部分技術規范》中，規定Q235B材料吊桿在常溫下的最大許用應力為83 MPa，考慮安裝和使用，在確定吊桿最大使用載荷時，許用應力再降低25%為62 MPa，經測量計算吊桿上部螺紋端截面積A=523 mm2。同時根據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

該恒力吊架的型號為58H-48B63 (44↑) /49.84 (KN)-M48，根據NB/T 47038—2013 《恒力彈簧支吊架》規范的要求，屬于 PHB 型臥式恒力吊架，設計載荷為 49.84 kN。根據設計要求，計算最大設計拉伸靜載荷為：

[σ]sj=Fsj/A=49.84/523=95.3 MPa

通過計算，M30規格的螺栓的設計載荷高于材料的許用應力62 MPa。因此，經校核，吊桿螺栓規格尺寸及選材不能滿足設計要求[1-5]。

3.2 吊桿彎曲形變分析

根據竣工圖紙中的數據可知：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。從冷態和熱態的位移值可知：在X方向最大的位移達42 mm，在Y方向的位移達151 mm；Y方向支吊架吊桿會繞著恒吊的轉軸轉動，吊桿不產生彎曲應力；Z方向為沿著吊桿方向，因此不會產生彎曲應力。當吊桿沿著X方向發生位移或擺動(含沖擊)時，吊桿根部無法自由轉動，管道擺動幅度完全由吊桿形變來吸收而產生彎曲應力：

M=F×L

(1)

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

因此，恒力吊架上吊桿螺紋處的彎曲應力最大，最易發生彎曲形變。通過對斷裂拉桿的觀察也可以看出拉桿上部確實發生了較大的彎曲形變，分析認為在機組啟、停機過程中，或者在運行的某些異常時刻，較大的管道位移(擺動幅度)引起了拉桿的彎曲形變。

3.3 疲勞源與吊桿受力對應關系

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，而且發現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現夾雜、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，分析認為，由于吊桿的彎曲形變導致了金屬表面晶體在平行于最大切應力平面上的滑移，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

通過對高溫再熱器出口管道恒力支吊架吊桿的宏觀、力學性能、化學成分等綜合分析得到如下結論：

(1) 斷裂吊桿的成分及力學性能(拉伸性能和沖擊性能)均符合標準要求。

(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)，材料無明顯冶金缺陷，表面無脫碳現象，材料熱處理狀態正常。

(3) 通過計算，M30的吊桿尺寸承受靜態載荷值不滿足設計 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，一旦機組啟停過程中管道的膨脹、收縮，極易導致吊桿受到交變應力的作用而產生斷裂。

(4) 在電站實際運行過程中，如啟、停機或某些瞬態，沿X、Y、Z方向管道均會產生較大的振動，該振動會對吊架產生拉伸應力與彎曲應力，尤其是吊桿為螺栓，螺紋處是應力集中區，承受拉伸力的同時承受的彎矩較大，容易產生彎曲形變。但實際運行中，管道振動產生的位移幅度不大，相比熱位移幅度來說要小得多，因此判斷管道振動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，對吊架吊桿產生拉伸應力與彎曲應力，在吊桿上部螺紋處產生應力集中，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、擴展后失穩斷裂[10-12]。

(6) 該支吊架在機組檢修過程中進行了調整，判斷為支吊架調整時未充分考慮到管道熱位移量，導致機組運行中管道熱位移較大，在吊桿上部螺紋處產生應力集中，再加上機組頻繁啟停，長時間作用導致支吊架吊桿產生斷裂。

5　解決對策

針對高溫再熱器出口管道支吊架吊桿斷裂的問題，采取如下措施：

(1) 重新對支吊架進行載荷校驗，利用機組停機機會對支吊架進行更換。

(2) 管道的局部應力集中不可避免，加強金屬技術監督，如定期金相檢驗等手段對管道及其附屬設備進行壽命評估，確保管道的正常使用。

(3) 根據管系的膨脹量，重新核算該支吊架的調整值，充分考慮管道的熱位移量，利用機組檢修機會重新進行調整。

(4) 采取臨時處理方案，更換斷裂吊桿及配套螺母，連接件規格由原設計的M30加大至M42，最大限度提高拉桿剛度和整個吊架的擺動自由度。

6　結語

通過對支吊架吊桿進行材料及力學性能等分析，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，從事電廠設備管理工作。

E-mail: lshm3579@163.com

TK224.9

A

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