電廠用鍋爐水冷壁輻射過(guò)熱器管彎頭開(kāi)裂原因研究

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1、電廠用鍋爐水冷壁輻射過(guò)熱器管彎頭開(kāi)裂原因研究　　【摘要】本文作者通過(guò)對(duì)某電廠500MW鍋爐水冷壁輻射過(guò)熱器管彎頭進(jìn)行抽樣檢查分析，明確了彎頭開(kāi)裂主要是由于在循環(huán)加熱過(guò)程中變形約束引發(fā)的熱疲勞開(kāi)裂，彎頭管子截面橢圓化對(duì)熱疲勞裂紋具有促進(jìn)作用。作者在總結(jié)原因的基礎(chǔ)上對(duì)改善過(guò)熱器管彎頭熱疲勞抗力提出建議，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義?！娟P(guān)鍵詞】輻射過(guò)熱器管；彎頭；熱疲勞抗力1、前言本文作者對(duì)某電廠500MW鍋爐水冷壁輻射過(guò)熱器管彎頭進(jìn)行全面檢測(cè)，用以判斷彎頭開(kāi)裂的性質(zhì)、原因及機(jī)理。該鍋爐是從英國(guó)引進(jìn)的產(chǎn)品，鍋爐整體全部

2、采用鋼結(jié)構(gòu)，單爐膛的布置方式均采用半搭式。由于該鍋爐啟用于1993年，而且自投產(chǎn)以來(lái)過(guò)熱器彎頭處多次發(fā)生過(guò)泄露事故，為了避免此類(lèi)事故的再次發(fā)生，本文作者特對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的檢查及分析，找到彎頭開(kāi)裂的原因，提出防范措施，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。2、宏觀檢查分析6被檢查的過(guò)熱器管彎頭取自于該電廠500MW鍋爐，該彎頭管子表面已明顯出現(xiàn)裂紋但被切割下來(lái)時(shí)尚未泄露。本文作者共對(duì)兩個(gè)過(guò)熱器管彎頭進(jìn)行分析，表1為樣品的編號(hào)及尺寸、表2為樣品的化學(xué)成分。表l試驗(yàn)樣品彎頭編號(hào)及宏觀特征mm編號(hào)管徑彎頭內(nèi)徑彎頭外徑壁厚約束分析φ

3、Ddδ131711296.0-6.6無(wú)加強(qiáng)板23125-30916.2有加強(qiáng)板表2彎頭材料的化學(xué)成分%CSiMnSPMo0.160.320.680.0120.0130.3從上表可以看出，彎頭1和彎頭2內(nèi)側(cè)表面均有不同程度的氧化，彎頭表面被灰色氧化物覆蓋，表面多裂痕并向管子周邊擴(kuò)散，彎頭表面開(kāi)口裂紋較寬。將彎頭縱向切開(kāi)可以看到彎頭內(nèi)壁已經(jīng)腐蝕，呈現(xiàn)暗紅色。其中，彎頭1表面呈橢圓形，表面裂紋較多；彎頭2的裂紋主要分布在曲率最大的地方，其他地方裂紋較少。另外，彎頭2的背面有加強(qiáng)板，板厚約為5.9mm，加強(qiáng)板與

4、彎頭管的焊接不太牢固，有明顯的弧坑。所以，彎頭2在循環(huán)加熱過(guò)程中的熱變形受到較大影響，焊接的缺陷也給2號(hào)彎頭帶來(lái)?yè)p傷。3、試驗(yàn)結(jié)果3.1彎頭裂紋截面的金相分析6兩個(gè)彎頭的內(nèi)側(cè)表面均有裂紋，表面形態(tài)特征相同，彎頭裂紋內(nèi)被氧化物和腐蝕物填充，從表面特征來(lái)看，彎頭裂紋均屬于熱疲勞裂紋，即長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)歷循環(huán)加熱所致。用AES對(duì)裂紋表面的灰色氧化物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)該氧化物主要由鐵的氧化物和硫化物組成，這說(shuō)明彎頭管子內(nèi)壁腐蝕物主要由鐵和氧組成，這也是裂紋表面與鍋爐氣氛相互作用的結(jié)果。根據(jù)金屬二次結(jié)晶理論，金屬的二次結(jié)

5、晶過(guò)程受多種因素影響，如變形度、退火溫度等；金屬在冷變形后二次加熱的溫度越低，二次結(jié)晶時(shí)晶粒長(zhǎng)大的應(yīng)變量越高，二次結(jié)晶后的晶粒尺寸越小、越細(xì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看：1號(hào)彎頭的二次結(jié)晶晶粒沒(méi)有明顯長(zhǎng)長(zhǎng)，這是由于二次結(jié)晶時(shí)溫度較低所致；而且金屬在溫度較低的情況下進(jìn)行二次結(jié)晶時(shí)所得晶粒的尺寸具有較大差異。金屬的熱疲勞抗力主要由高溫作用下的屈服強(qiáng)度和極限塑性決定，熱疲勞則是在熱應(yīng)力的作用下導(dǎo)致的循環(huán)塑性應(yīng)變。經(jīng)過(guò)對(duì)不同晶粒度材料的熱疲勞裂紋擴(kuò)張進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，較為均勻的晶粒材料的耐熱疲勞性能較高，而較粗的晶粒者具有較差

6、的耐熱疲勞性能，最容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋的則是粗晶與細(xì)晶的混合體。3.2彎管截面失圓與蠕變6鍋爐冷水壁輻射過(guò)熱器管彎頭的全部負(fù)載在彎頭曲率最大處產(chǎn)生彎矩。在彎曲力矩作用下，在中性軸上產(chǎn)生最大的彎曲應(yīng)力，過(guò)熱器管就是在彎曲應(yīng)力的作用下發(fā)生蠕變變形，截面逐漸由圓形蠕變?yōu)闄E圓形。彎曲應(yīng)力由彎頭半徑和厚度與直徑的比值來(lái)決定，彎頭半徑越小，厚度與直徑的比值越大，彎曲應(yīng)力越大，管子越接近于橢圓形。另外，如果彎頭背面有加強(qiáng)板，彎曲應(yīng)力則會(huì)進(jìn)一步增加。有加強(qiáng)板的彎頭疲勞強(qiáng)度與光滑彎頭的疲勞強(qiáng)度比值是三分之二，所以在可以發(fā)生

7、蠕變的溫度范圍內(nèi)，上述差異和變化也會(huì)進(jìn)一步加劇。2號(hào)彎頭由于具有較大的彎曲曲率導(dǎo)致其具有較高蠕變應(yīng)力。當(dāng)輻射過(guò)熱器的工況溫度達(dá)到蠕變溫度時(shí)，彎頭在負(fù)載彎矩的作用下就會(huì)發(fā)生塑性變形，彎頭管子的截面就會(huì)由圓形逐漸變?yōu)闄E圓形。此外，2號(hào)彎頭與1號(hào)彎頭相比具有顯著的橢圓度和大量的熱疲勞裂紋，這一事實(shí)充分說(shuō)明熱疲勞損傷會(huì)由于管子失圓而加速，因此彎頭的蠕變損傷對(duì)熱疲勞裂紋具有促進(jìn)作用。3.3熱疲勞裂紋的斷裂力學(xué)分析6環(huán)境溫度循環(huán)變化和零件外形受到機(jī)械約束是熱疲勞裂紋產(chǎn)生的必要條件。而機(jī)械約束分為外部約束和內(nèi)部約束，

8、外部約束是指彎頭受到剛性支撐或連接而產(chǎn)生的約束；內(nèi)部約束則是指零件界面內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，一部分材料對(duì)另一部分材料的變形產(chǎn)生的約束。另外，其它熱性能及零件結(jié)構(gòu)因素和溫度變化等因素也是導(dǎo)致熱疲勞開(kāi)裂的主要原因。對(duì)于2號(hào)彎頭來(lái)說(shuō)，彎頭背面焊有鰭片，焊接的缺陷對(duì)彎頭斷裂過(guò)程發(fā)揮了作用，而且彎頭截面失圓，管壁薄厚不均勻，在薄截面處由于較低的熱慣性誘發(fā)了熱應(yīng)力。這些缺陷極易出現(xiàn)熱疲勞或蠕變裂紋。過(guò)熱器管裂紋中的夾雜物和沉淀物對(duì)于熱疲勞裂紋的形成起著至關(guān)重