1000_MW机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因_陈盛广

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ＤＯＩ：１０．１１９７３／ｌｈｊｙ－ｗｌ２０２３０２００９１０００ＭＷ机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因陈盛广１，冯铁玲１，朱建华２，史志刚１，许春茂２，李楠林１，张允洲２，毕昌宏２，李亚亮１（１．西安热工研究院有限公司，西安７１００５４；２．华能南京金陵发电有限公司，南京２１００３４）摘要：某超超临界１０００ＭＷ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；螺纹吊杆；蠕变断裂；温度测量中图分类号：ＴＢ３１；ＴＧ１１５．２文献标志码：Ｂ文章编号：１００１－４０１２（２０２３）０２－００３１－０５Ｆｒａｃｔｕｒｅｒｅａｓｏｎｏｆｒｉｇｉｄｈａｎｇｅｒｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｈｅａｔｅｒｉｎｆｌｕｅｎｔｈｅａｄｅｒｏｆ１０００ＭＷｕｎｉｔ１，ＦＥＮＧＴｉｅｌｉｎｇ１，ＺＨＵＪｉａｎｈｕａ２，ＳＨＩＺｈｉｇａｎｇ１，ＸＵＣｈｕｎｍａｏ２，ＬＩＮａｎｌｉｎ１，ＣＨＥＮＳｈｅｎｇｇｕａｎｇ２，ＢＩＣｈａｎｇｈｏｎｇ２，ＬＩＹａｌｉａｎｇ１ＺＨＡＮＧＹｕｎｚｈｏｕ（１．Ｘｉ’ａｎＴｈｅｒｍａｌＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｕａｎｅｎｇＮａｎｊｉｎｇＪｉｎｌｉｎｇＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００３４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｉｇｉｄｈａｎｇｅｒｔｈｒｅａｄｓｕｓｐｅｎｄｅｒｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｈｅａｔｅｒｉｎｆｌｕｅｎｔｈｅａｄｅｒｏｆａｎｕｌｔｒａｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ１０００ＭＷｕｎｉｔｆｒａｃｔｕｒｅｄ．Ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｒｅａｓｏｎｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ，ｈａｒｄｎｅｓｓｔｅｓｔ，ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｎｓｉｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔ，ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｗａｓｏｂｖｉｏｕｓｎｅｃｋｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｎｅａｒｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｒｅａｄｅｄｓｕｓｐｅｎｄｅｒ，ａｎｄｔｈｅｒｅｗｅｒｅｃｒｅｅｐｈｏｌｅｓｏｎｔｈｅｗｈｏｌｅｓｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｒｅｅｐｈｏｌｅｓｇｒｅｗ，ａｇｇｒｅｇａｔｅｄａｎｄｆｏｒｍｅｄｃｒｅｅｐｃｒａｃｋｓ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｌａｄｌｅｏｎｔｈｅｔｏｐｏｆｔｈｅｆｕｒｎａｃｅｇｒｅａｔｌｙｅｘｃｅｅｄｅｄｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｄｅｓｉｇｎｖａｌｕｅ，ａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｖａｌｕｅｏｆａｘｉａｌｓｔｒｅｓｓｅｘｃｅｅｄｅｄｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｕｎｄｅｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓ，ｃｒｅｅｐｆｒａｃｔｕｒｅｏｃｃｕｒｒｅｄａｔｔｏｏｔｈｒｏｏｔｗｉｔｈｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｈｅａｔｅｒ；ｔｈｒｅａｄｅｄｓｕｓｐｅｎｄｅｒ；ｃｒｅｅｐｒｕｐｔｕｒｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ刚性吊架是电站锅炉炉顶集箱系统的重要组成装时受力不均、运行时超载，就会发生吊架断裂、集部分，其承载状态直接影响集箱的应力分布和大小，箱及管座焊缝开裂的事故，从而影响机组的安全生应力是导致管道、集箱及相连受热面寿命缩短的重产、提高维修成本。［１－６］要原因。如果刚性吊架的材料等级偏低，吊架安某电厂已投入运行１０ａ的１０００ＭＷ机组高温再热器入口集箱的刚性吊架发生断裂，集箱刚性收稿日期：２０２２－０５－１６吊架位于炉顶大包内，刚性吊架除承受常规载荷外，基金项目：西安热工研究院有限公司发展基金项目（ＴＮ－１８－还承受炉内的高温环境。笔者采用一系列理化检验ＴＹＫ１０）方法分析了其断裂原因，为炉顶集箱刚性吊架的安作者简介：陈盛广（１９８１－），男，硕士，研究员，主要从事材料失全运行及维护提供技术支持。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，ｃｈｅｎｓｈｅｎｇｇｕａｎｇ＠ｔｐｒｉ．ｃｏｍ．ｃｎ．３１

1陈盛广，等：１０００ＭＷ机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因红褐色、表明不平整且粗糙，源区位于螺纹根部表面１理化检验且较为平整，终断区位于断口源区对侧且面积较小，１１．宏观观察断面未见明显疲劳弧线，断口宏观形貌如图２所示。某超超临界１０００ＭＷ机组高温再热器的左侧集箱３＃，４＃，５＃，６＃，７＃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４０ｍｍ。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５＃刚性吊架，因此选取左侧集箱中部的５＃刚性吊架进行分析。图２断口宏观形貌５＃刚性吊架螺纹吊杆总长度约为５８００ｍｍ，１２．化学成分分析中间光杆直径为５０ｍｍ，两端螺纹长度为３００ｍｍ，依据相关标准ＧＢ／Ｔ２０１２５—２００６《低合金钢螺距为３ｍｍ，按照ＧＢ／Ｔ２８７０３—２０１２《圆柱螺纹多元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》和检测方法》测量螺纹根部的圆弧半径为０．３９～ＧＢ／Ｔ２０１２３—２００６《钢铁总碳硫含量的测定高频０．４１ｍｍ，圆弧半径符合要求。感应炉燃烧后红外吸收法》对螺纹吊杆材料进行化宏观检查发现螺纹吊杆外表面呈红褐色（见图学成分分析，结果如表１所示。由表１可知：螺纹吊１），且断裂于光杆附近的螺纹根部，断口附近存在颈杆的各项化学成分均符合ＡＳＴＭＡ１８２—２０２０《高缩现象并向一侧弯折，最大颈缩量为１１％。断面呈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。１３．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２个轴向拉伸试样，依据ＧＢ／Ｔ２２８．１—２０２１《金属材料拉伸试验第１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２所示。由表２可知：各试样的拉伸性能均满足图１螺纹吊杆宏观形貌ＡＳＴＭＡ１８２—２０２０对Ｆ１２钢１级的要求。表１螺纹吊杆的化学成分分析结果％质量分数项目ＣＭｎＰＳＳｉＣｒＭｏ实测值０．１３０．６１０．０１９０．００４０．２７０．９１０．４５１级０．０５～０．１５０．３０～０．６０≤０．０４５≤０．０４５≤０．５００．８０～１．２５０．４４～０．６５标准值２级０．１０～０．２００．３０～０．８０≤０．０４０≤０．０４００．１０～０．６００．８０～１．２５０．４４～０．６５表２试样的室温拉伸试验结果第１部分：试验方法》，使用维式硬度计进行硬度测抗拉强断面收断后伸塑性延伸试，检测载荷设定为９８Ｎ，持续时间为１５ｓ，依据项目度／ＭＰａ缩率／％长率／％强度／ＭＰａ试样１４６６７５３１．０３１７ＧＢ／Ｔ３３３６２—２０１６《金属材料硬度值的换算》将维试样２４６５７４３２．５３１２式硬度换算为布氏硬度，结果如表３所示。由表３实测值试样３４６１７５３７．０３１２可知：螺纹吊杆基体各试样的布氏硬度均符合试样４４５７７５３４．０３０４ＡＳＴＭＡ１８２—２０２０对Ｆ１２钢１级的要求。１级≥４１５≥４５≥２０≥２２０标准值２级≥４８５≥３０≥２０≥２７５１５．扫描电镜分析在扫描电镜（ＳＥＭ）下观察螺纹吊杆的断裂部１４．硬度测试位，结果如图３所示。由图３可知：酸洗前螺纹吊杆在螺纹吊杆基体部位分别截取４个硬度试样，断面覆盖有大量的氧化产物；酸洗后螺纹吊杆断面依据ＧＢ／Ｔ４３４０．１—２００９《金属材料维氏硬度试验３２

2陈盛广，等：１０００ＭＷ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劳特征。表３基体试样的硬度检测结果测点１／测点２／测点３／平均值／换算值／项目ＨＶＨＶＨＶＨＶＨＢ试样５１４３１４２１４２１４２１３５试样６１３１１３０１３２１３１１２５实测值试样７１３６１４２１４２１４０１３３试样８１３５１３５１３３１３４１２８１级１２１～１７４ＨＢ标准值２级１４３～２０７ＨＢ１６．金相检验在螺纹吊杆近断口径向及轴向分别截取试样９及试样１０，在远离断口位置轴向截取试样１１，依据ＧＢ／Ｔ１０５６１—２００５《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ＧＢ／Ｔ６３９４———２０１７《金属平均晶粒度测定方法》进行晶粒度评级，依据ＧＢ／Ｔ１３２９８—２０１５《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４所示，各类非金属夹杂物含量均小于０．５级，符合标准要求。各试样的显微组织形貌如图５所示，由图５可知：试样的晶粒度为７～８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１个轴向金相试样１２，在光学显微镜下观察，结果如图６所示。由图６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。２强度校核分析刚性吊架的相关设计参数如表４所示，５＃刚性吊架断裂的螺纹吊杆规格为Ｍ４８×３，材料为Ｆ１２钢，设计载荷为１１３８９０Ｎ，设计工作温度为４８０℃。表４刚性吊架的相关设计参数设计温度螺纹吊设计温设计载螺纹小径／编号材料许用应力／杆规格度／℃荷／ＮｍｍＭＰａ图３断面的ＳＥＭ形貌５＃Ｍ４８×３Ｆ１２钢４８０１１３８９０７３．９４４．７５２拉应力为７２．４ＭＰａ，小于设计温度下的许用应力根据设计要求，轴向应力计算值为７３．９ＭＰａ，在许用应力范围内。断面上存在大量的２）（１）σ＝Ｆ／（πｄ蠕变孔洞，螺纹吊杆可能存在工作温度偏高的问题，式中：σ为轴向拉应力；Ｆ为刚性吊架设计载荷；ｄ因此在大包内螺纹吊杆靠近螺纹的光杆上安装了若为螺纹根部小径。干温度测点，监测结果表明，螺纹吊杆的实际最高工强度校核计算结果表明：吊杆螺纹根部的轴向作温度为５３５℃。由ＡＳＭＥ《锅炉及压力容器规３３

3陈盛广，等：１０００ＭＷ机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因图４试样的非金属夹杂物微观形貌图６试样１２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７所示。由图７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力为１６０．３ＭＰａ，超过了实际工作温度下的屈服强度１４０．０ＭＰａ，螺纹吊杆于断口附近发生颈缩现象。图５各试样的显微组织形貌３综合分析范：第Ⅱ卷Ｄ篇》可知，Ｆ１２钢在５３５℃时的许用应力为５３．４ＭＰａ，在实测工作温度下，螺纹根部轴向螺纹吊杆的化学成分、硬度、室温拉伸性能、非拉应力超过其许用值。金属夹杂物含量、晶粒度及显微组织均符合相关标为了掌握螺纹根部截面应力的分布及断裂过程，准的要求，试样断面源区未见机械损伤。３４

4陈盛广,等:1000MW机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因能、非金属夹杂物含量、晶粒度及显微组织均符合相关规定;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进行强度校核计算,将超标的部件材料等级提升或的牙根部位,试样断面起伏较大,较为粗糙;断口裂规格增大;改善燃烧方式,避免结焦;按照相关规程纹源位于螺纹根部表面,终断区位于断口源区对侧。要求,定期对集箱支吊架进行检验与优化调整,使支断面附近存在明显的颈缩,最大颈缩量为11%,说吊架正常承载。明存在超载现象。断面附近均存在蠕变孔洞;断面参考文献: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,螺纹根部应力超标,[1]王海帅,张鹏,胡锋.某恒力吊架弹簧连杆断裂原因分形成蠕变孔洞,孔洞聚集、长大直至产生裂纹,甚至析[J].理化检验(物理分册),2020,56(4):46-48,64.发生断裂。此外,现场检查发现,集箱支吊架存在受[2]王昊,宋利,袁宝子,等.某电厂三通焊接接头开裂原力不均现象,部分支吊架超载。因分析[J].理化检验(物理分册),2019,55(7):501-强度校核计算结果表明,螺纹吊杆牙根轴向拉505.应力计算结果为72.4[3]陈盛广,王军民,邓玲惠,等.高温再热蒸汽管道异常MPa,大于实测最高工作温度时的许用应力40.1位移产生原因及防治研究与应用[J].热力发电,MPa;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2022,51(5):169-174.度,计算结果与颈缩现象及断口金相检验结果一致,[4]刘佳伟,尤莎,李永学,等.12Cr1MoV高温集箱接管因此裂纹起源于牙根表面并向中部扩展。座角焊缝裂纹原因分析及处理建议[J].焊接技术,综上所述,在高温和高应力作用下,螺纹吊杆应2021,50(2):68-70.[5]纳日苏.某电厂低温再热器出口集箱焊缝裂纹原因分力集中部位的螺纹牙根表面产生蠕变裂纹,并向中析及焊接修复[J].焊接技术,2020,49(12):72-74.部扩展直至断裂。[6]刘胜明.600MW超临界机组锅炉高温再热器出口管4结论道恒力支吊架吊杆断裂失效分析[J].发电设备,(1)螺纹吊杆的化学成分、硬度、室温拉伸性2016,30(5):333-337.???????????????????????????????????????????????(上接第11页)[7]宋仁国,曾梅光,张宝金.氢致7175铝合金韧脆断裂行为研究进展[J].腐蚀与防护,2013,34(7):600-604.转变行为[J].东北大学学报(自然科学版),1996(3):[11]陈小明,宋仁国.7000系铝合金应力腐蚀开裂的研究287-290.进展[J].腐蚀科学与防护技术,2010,22(2):120-123.[8]宫波,赖祖涵.7050高强铝合金晶界偏析和氢致应力[12]滕奎,罗先甫,李红萍,等.7055铝合金T型型材的应腐蚀开裂[J].材料科学进展,1988,2(6):51-55.力腐蚀行为研究[J].材料开发与应用,2021,36(4):[9]祁星,宋仁国,王超,等.阴极极化对7050铝合金应力44-50.腐蚀行为的影响[J].中国有色金属学报,2014,24[13]杨晓,罗先甫,陈洁明,等.高强铝合金氢致开裂研究(3):631-636.进展[J].理化检验(物理分册),2020,56(8):23-26,[10]郑传波,益帼,高延敏.高强铝合金应力腐蚀及氢渗透42.35