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          汽輪機、鍋爐主要零部件金屬事故原因分析

          發布時間:2022-06-27 10:55:02 閱讀次數:87


          一、鍋爐受熱面管子事故分析 
               鍋爐受熱面管子是在高溫、應力和腐蝕介質作用下長期工作的,當管子鋼材承受不了其工作狀態的負荷時,就會發生不同形式的損壞而造成事故?;鹆Πl電廠鍋爐受熱面管子常見事故主要有以下幾種類型:長時超溫爆管、短時超溫爆管,材質不良管和腐蝕熱疲勞損壞。

          (一)長時超溫爆管

              超溫是指金屬材料在超過額定溫度下運行。額定溫度指鋼材在設計壽命下運行的允許最高溫度,也可指工作時的額定溫度,只要超出上述溫度的一種即為超溫運行。 
               長時超溫的管子鋼由于原子擴散加劇,導致鋼材組織發生變化,使蠕變速度加快,持久強度降低,因此管子達不到設計壽命就提前爆破損壞。爆管大多發生在高溫過熱器管出口段的向火側及管子彎頭處,水冷壁管、凝渣管和省煤器等也時有發生。 
               在長時間超溫爆管過程中,蒸汽和煙汽等腐蝕介質起了加速的作用。當管壁溫度超過其氧化臨界溫度時,蒸汽和煙汽會使管壁產生一層較厚的氧化鐵;在管子脹粗時,這層氧化鐵將沿垂直于應力的方向裂開;于是重新裸露的金屬在拉應力和蒸汽或煙汽的作用下產生應力腐蝕,加速裂紋擴展,最終導致爆裂。故破口具有脆性斷裂特征,且往往有腐蝕產物存在于裂紋內。

          (二)短時超溫爆管 
               鍋爐受熱面管子在運行中冷卻條件惡化、干燒,使管壁溫度短期內突然升高,溫度達到臨界點(Ac1)以上,鋼的抗拉強度急劇下降,管子應力超過屈服極限,產生剪切斷裂而爆管,這種爆管稱為短時超溫爆管。 

               短時超溫爆管大多發生在冷壁管燃燒帶附近及噴燃器附近的向火側和凝渣管上,省煤器和某些高壓鍋爐的屏式過熱器也偶有發生。

                由于短時超溫的管壁溫度高于Ac1,有時甚至高于Ac3,爆管時的汽水噴射猶如不同程度的淬火,因此,此時破口處的組織一般為低馬氏體或貝氏體;過熱器管破口也可能為珠光體和鐵素體組織。顯然,破口周圍管材的硬度會明顯增加。超溫爆管除結構設計不當外,主要是超負荷運行、操作不當或管內臟物堵塞等原因造成的。超負荷運行會使對流過熱器出口溫度普遍升高,加劇了超溫現象,以致管子蠕變加速;起動不正常而使燃燒發生劇烈變化、升壓速度快或爐膛發生滅火放炮等都會引起管子超溫;管內臟物或鹽垢堵塞,會造成汽水循環不良,引起管子局部過熱而很快導致爆管。 

          (三)材質不良引起的爆管 
               材質不良的爆管是指錯用鋼材或使用了有缺陷的鋼材造成管子提早損壞。j
          由于用錯材料,實際上是一種超溫運行。按照拉爾森─米列爾方程估算,超溫運行將會使鋼管壽命大為縮短,有的甚至運行數千小時即發生爆管。 如材料本身存在裂紋、嚴重脫碳或夾雜等缺陷,或在安裝、檢修時使用了有折疊、結疤、裂口的鋼管,則管子強度將被嚴重削弱,在高溫運行過程中缺陷部位易產生應力集中,致使裂紋擴展、缺陷擴大而導致爆管。

          (四)腐蝕性熱疲勞裂紋損壞 
              鍋爐受熱面管子的汽水分層、省煤器管汽塞、過熱器帶水、減溫減壓閥門間隙性開啟等,都會引起溫度的撥動,造成交變熱應力,產生熱疲勞裂紋。并且,在腐蝕性介質作用下,這些管子上的疲勞裂紋特別容易產生在諸如表面粗糙、劃痕、腐蝕坑等腐蝕速度較大的有缺口區域,所以稱之為腐性熱疲勞裂紋。腐蝕性熱疲勞裂紋一般呈叢狀單行分布,并垂直于應力方向。在管內壁為橫向環狀裂紋,裂紋較短,斷口為帶疲勞特征的脆性斷口,

               鍋爐受熱面管子在運行過程中,管壁直接與高溫煙汽、水和蒸汽接觸,也會產生其他腐蝕現象,引起管子過早的破裂損壞。象空氣預熱器等如在露天下工作,由于煙汽中有SO2,還會產生低溫腐蝕損壞。

          二、汽輪機主要零部件常見事故分析 


          (一)汽輪機葉片事故分析
              汽輪機葉片的損壞形式主要是疲勞斷裂。由于葉片工作條件惡劣,受力情況復雜,斷裂事故較常發生,且后果又較嚴重,所以對葉片斷裂事故的分析研究一直受到特別重視。按照葉片斷裂的性質,可以分為短期超載疲勞損壞、長期疲勞損壞、高溫疲勞損壞、應力疲勞損壞、腐蝕疲勞損壞、接觸疲勞損壞等六鐘。" 

          1、期超載疲勞損壞 
              這種損壞是指葉片受到外加較大應力或受到較大激振力,而振動次數低于107次就發生斷裂的機械疲勞損壞。如葉片受到水擊而承受較大的應力,或因轉子不平引起振動及安裝不良存在周期力等較大的低頻激振力,當這些力引起葉片共振時,葉片會很快斷裂。
              葉片短期超載疲勞損壞的宏觀特征為:斷面粗糙,疲勞前沿線(即貝殼紋)不明顯,斷面上疲勞區面積小于最終靜撕斷區面積;經受水擊而損壞的葉片的斷面呈“人”字形紋絡特征。 
          防止短期超載疲勞損壞的主要方法是:防止水擊,作好消除低頻共振的調頻及在正常周波下運行。

          2、長期疲勞破壞
                長期疲勞損壞是指葉片運行中承受低于疲勞強度極限而應力循環次數又遠高于107次發生的一種機械疲勞損壞。 
                造成長期疲勞損壞的原因有:葉片或葉片組在高頻激振力作用下引起的共振損壞;葉片表面缺陷處出現局部應力集中而發生的疲勞損壞;低頻率運行、超負荷運行使某些級的葉片應力升高導致提早損壞等等。長期疲勞損壞在電廠葉片斷裂事故中最為常見。
          防止長期疲勞損壞的辦法是:按規定避開高頻激振力共振范圍,提高葉片加工質量和改善運行條件。如防止低周波、超負荷運行,防止腐蝕和水擊等。


          3、高溫疲勞破壞
                高溫疲勞損壞是指由蠕變和疲勞共同作用所形成的介于靜應力產生的蠕變和動應力產生的疲勞之間的一種損壞形式。裂紋源部位呈蠕變現象,斷裂性質為持久斷裂和疲勞斷裂的組合,而且往往伴隨著材料組織的變化。 
                高溫疲勞損壞裂紋基本上是穿晶的,斷口宏觀貌有貝殼花紋,斷口微觀貌有較厚的氧化皮。 
                高溫疲勞損壞發生在高壓缸前幾級葉片、中間再熱式汽輪機中壓缸前幾級葉片以及中壓汽輪機的調速級葉片。

          防止高溫疲勞損壞的主要措施是:選用高溫性能好的金屬來制造處于高溫下工作的葉片,防止葉片共振,防止葉片徑向和軸向相摩擦等。

          4、應力腐蝕損壞
                產生應力腐蝕的主要原因是:首先,金屬晶界偏析,析出碳化物,出現貧鉻區,使晶界腐蝕;其次,應力作用;然后,高濃度鹽的腐蝕。應力腐蝕主要發生在2Cr13鋼制造的末級葉片上。其斷口形貌呈顆粒狀,微觀形態是沿界裂紋,斷面上有滑移臺階,并有細小腐蝕坑。 

          防止葉片應力腐蝕損壞的只要措施是:改善汽水品質、提高葉片材質、降低葉片動應力等。 


          5、腐蝕疲勞損壞 
                腐蝕疲勞損壞是葉片在腐蝕介質中受交變應力作用而引起的疲勞損壞。如損壞是以機械疲勞為主,則裂紋發展迅速,裂紋為穿晶型;如損壞是以應力腐蝕為主,則裂紋發展較慢,裂紋主要是沿晶型。 

          防止腐蝕疲勞損壞的主要措施是:提高葉片材質耐腐蝕性;降低交變應力水平;改善汽水品質。 


          6、接觸疲勞損壞 
                接觸疲勞損壞是由于葉片根部松動,葉根參加振動,使葉根之間或葉片與葉輪機接觸面產生往復微量相對摩擦運動而造成的一種機械損壞。 由于摩擦表面材料晶體滑移和硬化,使硬化區內產生許多平行的顯微裂紋,并不斷擴展,從而引起疲勞斷裂。 摩擦裂紋和摩擦硬化現象同時并存是接觸疲勞損壞的主要基本特征。摩擦硬化和摩擦裂紋僅存于接觸部位表面。

               防止接觸疲勞的主要措施是:改善葉片接觸面的緊貼程度,增加接觸面積以防止接觸點接觸的應力集中,消除或減弱調頻葉片的振動力。 

          (二)汽輪機轉子金屬事故分析 
                轉子在運行過程中要承受扭距和自重引起的彎應力、溫度梯度和溫度變化的熱應力、離心力、熱套力、振動力和發電機短路力距,其工作條件十分惡劣。

          汽輪機轉子的金屬事故主要是葉輪、主軸(轉子)的變形及開裂。 
          1、主軸(轉子)的塑性變形 
              汽輪機出廠時的殘余應力過大,運輸、安裝不當以及運行中暖機不充分,動靜部分相摩擦,水擊和滿水等原因,都有可能導致大軸產生永久變形,一旦出現這種情況決不能強行升速,而應停機后直軸。 
              
          直軸方法:對小型碳鋼轉子可采用局部加熱反變形校直;對大功率合金鋼轉子多采用“松弛法”。

          2、轉子的斷裂 
             轉子斷裂將造成嚴重事故,應引起十分重視。斷裂的起因是出現裂紋。轉子發現第一條宏觀裂紋,在大型汽輪機中往往作為汽輪機工作壽命結束的標志。轉子產生裂紋的原因主要有以下幾點:
          (1)在熱交變應力(低頻熱應力)和蠕變聯合作用下出現裂紋;
          (2)截面交界處過渡圓角偏小、存在刀痕等原因會導致機械應力或熱應力集中,在交變應力作用下產生裂紋;
          (3)材質不良,存在嚴重冶金缺陷而導致裂紋產生; 
          (4)運行不當而引起損壞。如啟、停機,變負荷等情況下,溫度變化率及溫度變化量過大,引起熱應力過大等。 


          3、葉輪的開裂
              葉輪開裂主要出現在低壓級。由于葉輪直徑大,離心力大,長期運行中鍵槽處由于應力集中容易出現裂紋,,裂紋發展到一定深度會引起整個葉輪飛裂。葉輪開裂與下列因素有關: 
          (1)鍵槽處加工質量差,應力集中處往往易生成裂紋并發展; 
          (2)葉輪材料性能差,韌性及塑性低,脆性大,加速了裂紋擴展; 
          (3)停機后維修保養不當,或水腐蝕造成應力腐蝕。

          防止葉輪開裂的措施:注意停機后的保養,防止腐蝕;提高冶金及加工質量;加強探傷檢查等 


          (三)汽缸的變形及裂紋
                汽缸截面厚度變化大,進汽端形狀復雜,特別是法蘭處厚度非常大,因此在運行過程中汽缸內外壁、法蘭內外壁溫差懸殊,生成的熱應力就非常大,加之溫度變化時又受到熱交變應力作用,同時,汽缸內還承受蒸汽壓力、靜止部分的重力作用,工作條件十分惡劣,并且,由于形狀復雜、厚薄相差懸殊、尺寸大等原因,不可避免存在鑄造缺陷,所以,汽缸容易發生變形和開裂的金屬事故。 

           造成汽缸變形的主要原因如下: 
          (1)運行中汽缸壁內外、法蘭內外溫差較大,造成法蘭結合面漏氣;汽缸上、下溫差過大導致動靜部分相摩擦或振動;
          (2)汽缸去應力退火不當,或運行中滿水、水擊等,都會引起變形; 
          (3)汽缸在高溫下工作,各部分溫度不同,蠕變速度不一,從而引起變形。

           造成汽缸開裂的主要原因如下: 
          (1)汽缸長期在高溫下運行,出現蠕變,脆性增加; 
          (2)冶金過程中鑄件內部出現裂紋、白點、夾渣等,是造成蠕變裂紋和熱疲勞裂紋的根源;
          (3)熱處理不當導致材料組織不均勻,而使持久強度和持久塑性下降; 
          (4)長期高溫運行使汽缸材料組織發生變化;運行中的低頻熱應;力和蠕變的聯合作用更易出現裂紋。 

          文章來源: 鍋爐人


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