电站锅炉变径管爆裂原因分析

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试验及分析

1.1 宏观和断口形貌

宏观上观察:两条裂缝沿变径管轴向开裂,贯穿整个变径管至两端的环向焊缝处,因撕裂而脱开的母材,小头端宽度15mm,大头端宽度36mm(图1)｡变径管内外表面均无严重腐蚀现象,但是在变径管小端内表面四周发现有呈纵向分布的细长凹槽,凹槽越靠近小头端深度越深｡垂直于母材表面的断口上,平齐而光亮,断口边缘母材厚度未减薄,宏观上呈脆性断裂特征｡从图2看,断口面上可观察到人字条纹,人字条纹的收敛方向指向裂源,即小管端与变径管的过度处内侧,其反向为裂纹的扩展方向｡整个断口上的人字纹均指向过度处的内侧,可以判定该处为裂纹的起裂位置｡

1.2 化学成分分析

根据设计单位提供的图纸,汽包水位计处连接的变径管规格是:公称通径60mm×20mm,过渡段轴向水平长度58mm,设计材料一种是12Cr1MoVG(GB5310),适用于介质参数为P=9.8MPa､t=540℃,另一种是20G(GB5310),适用于介质参数为P=16.8MPa､t=230℃｡这台锅炉选用的变径管材质是20G,为了进一步检验此处实际材料选用是否有误,对该爆裂的变径管､选取的一个未爆裂的变径管以及小头端连接焊缝进行化学成分分析｡

小端焊缝选用的焊接材料是碳钢焊条,未爆裂的变径管的材质是20G,爆裂的变径管材质为合金钢材料12Cr1MoVG,该处爆裂的变径管材质选用错误｡

1.3 其它试验

对该爆裂的变径管了金相分析和硬度检测,在分别平行于变径管表面的纵截面和垂直于变径管表面的纵截面上取样进金相分析｡在平行于变径管表面的纵截面上进行金相分析:组织为铁素体+珠光体,采用比较法,测得晶粒度级别为6~7级｡同时,在垂直于表面的纵截面上进行金相分析:组织为铁素体+珠光体,采用比较法,测得晶粒度级别为6~7级｡

对爆裂的变径管表面进行多点硬度试验,硬度值在140~240HB之间,表现出很大的不均匀性,另外选取的未爆裂变径管的硬度值在120~148HB范围区间,而且比较均匀｡

1.4 制造工艺

该类型变径管采用模具缩径压制而成,因该类变径管变径较大,不能一次压制成型,需要进行5次挤压缩颈完成,具体工艺流程如下:切割经检验合格的原材料,初次用模具加压成60×50mm的变径管,压缩完成后加热到600℃~650℃进行热处理,随炉冷却至400℃以下后出炉自然冷却,按照此工艺,将变径管依次挤压成60×40mm､60×32mm､60×25mm､终制成60×20mm的变径管｡

在5次反复挤压及热处理过程中对制造质量存在很多的不确定因素,可能造成管件机械性能受损､退火冷却时间过短造成局部应力未完全消除等｡

1.5 应力分析

1.5.1 计算模型

考虑到变径管加工时采用热压工艺,壁厚存在不均匀现象,这种不均匀性对应力计算有较大影响,因此计算模型根据实际测量壁厚建立｡本例分析的变径管属于同心结构,故可采用轴对称结构进行计算｡

1.5.2 边界条件

1)变径管小端按受到一个与端面相垂直的等效拉应力施加约束,此拉应力相当于在端面足够远的地方有一个封头,等效拉应力等于在内压作用下封头对连接管产生的轴向平均应力[1];

2)变径管大端连接锅筒接管,在轴向上位移可近似为零,因此在大端施加轴向(Y方向)约束;

3)只考虑内压作用下的变径管应力分布,故取内压为试验压力13.5MPa｡

1.5.3 计算结果及分析

变径管在内压13.5MPa下的等效应力分布,可以看出大端的应力要比小端的应力大,在变径段靠近大端的过渡区域存在大应力,即图中的MX位置,大应力值为85.351MPa｡

大端等效应力明显大于小端应力,在大端直管段区域内压力沿Y轴先减小后增大,在变径管过渡段距大端距离约52mm处形成一个上凸峰值比大端应力还高的波峰,距离大端约110mm处形成波谷然后小幅上升至小端｡根据数值模拟结果分析可知:

1)大应力在变径段靠近大端的过渡区域,理论上分析,如果超压的话应在大端与直管连接处的内表面先开裂失效｡

2)大应力值为85.351MPa,材料12Cr1MoVG低合金钢的许用应力170MPa,可以得出相应的安全系数为1.99,表明在内压13.5MPa作用下此结构安全｡

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结束语

通过对该类型变径管的化学成分分析､常温力学性能试验､金相组织观察､硬度测试､制造工艺和应力分析等方法进行分析,该爆裂的变径管材质与设计材质不符,而制造工艺是按材料20G来设计的,存在热处理温度不够高､挤压次数过多以及冷却过程时间过短等因素,造成局部应力未完全消除,另外,该变径管存在制造质量缺陷,小端内表面存在多条轴向细长的凹槽,这些凹槽处易造成应力集中,导致该变径管在水压试验时发生爆裂

因此,电站锅炉在安装过程中,应对出厂前未进行水压试验的承压元件严格把控质量,审查质量证明书和检验产品的制造质量,并对材料进行确认,防止材料错用,导致增加不安全的隐患｡