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【引用】锅炉、汽轮机主要零部件金属事故分析  

2011-06-16 19:04:08|  分类: 技术类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、锅炉受热面管子事故分析

锅炉受热面管子是在高温、应力和腐蚀介质作用下长期工作的,当管子钢材承受不了其工作状态的负荷时,就会发生不同形式的损坏而造成事故。火力发电厂锅炉受热面管子常见事故主要有以下几种类型:长时超温爆管、短时超温爆管,材质不良管和腐蚀热疲劳损坏。

(一)   长时超温爆管

超温是指金属材料在超过额定温度下运行。额定温度指钢材在设计寿命下运行的允许最高温度,也可指工作时的额定温度,只要超出上述温度的一种即为超温运行。

长时超温的管子钢由于原子扩散加剧,导致钢材组织发生变化,使蠕变速度加快,持久强度降低,因此管子达不到设计寿命就提前爆破损坏。爆管大多发生在高温过热器管出口段的向火侧及管子弯头处,水冷壁管、凝渣管和省煤器等也时有发生。

在长时超温爆管过程中,蒸汽和烟汽等腐蚀介质起了加速的作用。当管壁温度超过其氧化临界温度时,蒸汽和烟汽会使管壁产生一层较厚的氧化铁;在管子胀粗时,这层氧化铁将沿垂直于应力的方向裂开;于是重新裸露的金属在拉应力和蒸汽或烟汽的作用下产生应力腐蚀,加速裂纹扩展,最终导致爆裂。故破口具有脆性断裂特征,且往往有腐蚀产物存在于裂纹内。

(二)   短时超温爆管

锅炉受热面管子在运行中冷却条件恶化、干烧,使管壁温度短期内突然升高,温度达到临界点(Ac1)以上,钢的抗拉强度急剧下降,管子应力超过屈服极限,产生剪切断裂而爆管,这种爆管称为短时超温爆管。

短时超温爆管大多发生在冷壁管燃烧带附近及喷燃器附近的向火侧和凝渣管上,省煤器和某些高压锅炉的屏式过热器也偶有发生。

由于短时超温的管壁温度高于Ac1,有时甚至高于Ac3,爆管时的汽水喷射犹如不同程度的淬火,因此,此时破口处的组织一般为低马氏体或贝氏体;过热器管破口也可能为珠光体和铁素体组织。显然,破口周围管材的硬度会明显增加。

超温爆管除结构设计不当外,主要是超负荷运行、操作不当或管内脏物堵塞等原因造成的。超负荷运行会使对流过热器出口温度普遍升高,加剧了超温现象,以致管子蠕变加速;起动不正常而使燃烧发生剧烈变化、升压速度快或炉膛发生灭火放炮等都会引起管子超温;管内脏物或盐垢堵塞,会造成汽水循环不良,引起管子局部过热而很快导致爆管。

(三)   材质不良引起的爆管

材质不良的爆管是指错用钢材或使用了有缺陷的钢材造成管子提早损坏。

由于用错材料,实际上是一种超温运行。按照拉尔森─米列尔方程估算,超温运行将会使钢管寿命大为缩短,有的甚至运行数千小时即发生爆管。

如材料本身存在裂纹、严重脱碳或夹杂等缺陷,或在安装、检修时使用了有折叠、结疤、裂口的钢管,则管子强度将被严重削弱,在高温运行过程中缺陷部位易产生应力集中,致使裂纹扩展、缺陷扩大而导致爆管。

有缺陷的管子爆破,破口边缘常常可以分成两部分:有缺陷部分破口边缘粗糙,呈脆性断口(破口缺陷豁开);没有缺陷的部分呈塑性断口。

(四)   腐蚀性热疲劳裂纹损坏

锅炉受热面管子的汽水分层、省煤器管汽塞、过热器带水、减温减压阀门间隙性开启等,都会引起温度的拨动,造成交变热应力,产生热疲劳裂纹。并且,在腐蚀性介质作用下,这些管子上的疲劳裂纹特别容易产生在诸如表面粗糙、划痕、腐蚀坑等腐蚀速度较大的有缺口区域,所以称之为腐性热疲劳裂纹。腐蚀性热疲劳裂纹一般呈丛状单行分布,并垂直于应力方向。在管内壁为横向环状裂纹,裂纹较短,断口为带疲劳特征的脆性断口。

锅炉受热面管子在运行过程中,管壁直接与高温烟汽、水和蒸汽接触,也会产生其他腐蚀现象,引起管子过早的破裂损坏。象空气预热器等如在露天下工作,由于烟汽中有SO2,还会产生低温腐蚀损坏。

二、汽轮机主要零部件常见事故分析

(一)    汽轮机叶片事故分析

汽轮机叶片的损坏形式主要是疲劳断裂。由于叶片工作条件恶劣,受力情况复杂,断裂事故较常发生,且后果又较严重,所以对叶片断裂事故的分析研究一直受到特别重视。按照叶片断裂的性质,可以分为短期超载疲劳损坏、长期疲劳损坏、高温疲劳损坏、应力疲劳损坏、腐蚀疲劳损坏、接触疲劳损坏等六钟。

1、  期超载疲劳损坏

这种损坏是指叶片受到外加较大应力或受到较大激振力,而振动次数低于107次就发生断裂的机械疲劳损坏。如叶片受到水击而承受较大的应力,或因转子不平引起振动及安装不良存在周期力等较大的低频激振力,当这些力引起叶片共振时,叶片会很快断裂。

叶片短期超载疲劳损坏的宏观特征为:断面粗糙,疲劳前沿线(即贝壳纹)不明显,断面上疲劳区面积小于最终静撕断区面积;经受水击而损坏的叶片的断面呈“人”字形纹络特征。

防止短期超载疲劳损坏的主要方法是:防止水击,作好消除低频共振的调频及在正常周波下运行。

2、  长期疲劳损坏

长期疲劳损坏是指叶片运行中承受低于疲劳强度极限而应力循环次数又远高于107次发生的一种机械疲劳损坏。

造成长期疲劳损坏的原因有:叶片或叶片组在高频激振力作用下引起的共振损坏;叶片表面缺陷处出现局部应力集中而发生的疲劳损坏;低频率运行、超负荷运行使某些级的叶片应力升高导致提早损坏等等。长期疲劳损坏在电厂叶片断裂事故中最为常见。

防止长期疲劳损坏的办法是:按规定避开高频激振力共振范围,提高叶片加工质量和改善运行条件。如防止低周波、超负荷运行,防止腐蚀和水击等。

3、  高温疲劳损坏

高温疲劳损坏是指由蠕变和疲劳共同作用所形成的介于静应力产生的蠕变和动应力产生的疲劳之间的一种损坏形式。裂纹源部位呈蠕变现象,断裂性质为持久断裂和疲劳断裂的组合,而且往往伴随着材料组织的变化。

高温疲劳损坏裂纹基本上是穿晶的,断口宏观貌有贝壳花纹,断口微观貌有较厚的氧化皮。

高温疲劳损坏发生在高压缸前几级叶片、中间再热式汽轮机中压缸前几级叶片以及中压汽轮机的调速级叶片。

防止高温疲劳损坏的主要措施是:选用高温性能好的金属来制造处于高温下工作的叶片,防止叶片共振,防止叶片径向和轴向相摩擦等。

4、  应力腐蚀损坏

产生应力腐蚀的主要原因是:首先,金属晶界偏析,析出碳化物,出现贫铬区,使晶界腐蚀;其次,应力作用;然后,高浓度盐的腐蚀。应力腐蚀主要发生在2Cr13钢制造的末级叶片上。其断口形貌呈颗粒状,微观形态是沿界裂纹,断面上有滑移台阶,并有细小腐蚀坑。

防止叶片应力腐蚀损坏的只要措施是:改善汽水品质、提高叶片材质、降低叶片动应力等。

5、  腐蚀疲劳损坏

腐蚀疲劳损坏是叶片在腐蚀介质中受交变应力作用而引起的疲劳损坏。如损坏是以机械疲劳为主,则裂纹发展迅速,裂纹为穿晶型;如损坏是以应力腐蚀为主,则裂纹发展较慢,裂纹主要是沿晶型。

防止腐蚀疲劳损坏的主要措施是:提高叶片材质耐腐蚀性;降低交变应力水平;改善汽水品质。

6、  接触疲劳损坏

接触疲劳损坏是由于叶片根部松动,叶根参加振动,使叶根之间或叶片与叶轮机接触面产生往复微量相对摩擦运动而造成的一种机械损坏。

由于摩擦表面材料晶体滑移和硬化,使硬化区内产生许多平行的显微裂纹,并不断扩展,从而引起疲劳断裂。

摩擦裂纹和摩擦硬化现象同时并存是接触疲劳损坏的主要基本特征。摩擦硬化和摩擦裂纹仅存于接触部位表面。

防止接触疲劳的主要措施是:改善叶片接触面的紧贴程度,增加接触面积以防止接触点接触的应力集中,消除或减弱调频叶片的振动力。

(二)    汽轮机转子金属事故分析

转子在运行过程中要承受扭距和自重引起的弯应力、温度梯度和温度变化的热应力、离心力、热套力、振动力和发电机短路力距,其工作条件十分恶劣。

汽轮机转子的金属事故主要是叶轮、主轴(转子)的变形及开裂。

1、  主轴(转子)的塑性变形

汽轮机出厂时的残余应力过大,运输、安装不当以及运行中暖机不充分,动静部分相摩擦,水击和满水等原因,都有可能导致大轴产生永久变形,一旦出现这种情况决不能强行升速,而应停机后直轴。

直轴方法:对小型碳钢转子可采用局部加热反变形校直;对大功率合金钢转子多采用“松弛法”。

2、  转子的断裂

转子断裂将造成严重事故,应引起十分重视。断裂的起因是出现裂纹。转子发现第一条宏观裂纹,在大型汽轮机中往往作为汽轮机工作寿命结束的标志。转子产生裂纹的原因主要有以下几点:

(1)、在热交变应力(低频热应力)和蠕变联合作用下出现裂纹;

(2)、截面交界处过渡圆角偏小、存在刀痕等原因会导致机械应力或热应力集中,在交变应力作用下产生裂纹;

(3)、材质不良,存在严重冶金缺陷而导致裂纹产生;

(4)、运行不当而引起损坏。如启、停机,变负荷等情况下,温度变化率及温度变化量过大,引起热应力过大等。

3、  叶轮的开裂

叶轮开裂主要出现在低压级。由于叶轮直径大,离心力大,长期运行中键槽处由于应力集中容易出现裂纹,,裂纹发展到一定深度会引起整个叶轮飞裂。叶轮开裂与下列因素有关:

(1)、键槽处加工质量差,应力集中处往往易生成裂纹并发展;

(2)、叶轮材料性能差,韧性及塑性低,脆性大,加速了裂纹扩展;

(3)、停机后维修保养不当,或水腐蚀造成应力腐蚀。

防止叶轮开裂的措施:注意停机后的保养,防止腐蚀;提高冶金及加工质量;加强探伤检查等

(三)    汽缸的变形及裂纹

汽缸截面厚度变化大,进汽端形状复杂,特别是法兰处厚度非常大,因此在运行过程中汽缸内外壁、法兰内外壁温差悬殊,生成的热应力就非常大,加之温度变化时又受到热交变应力作用,同时,汽缸内还承受蒸汽压力、静止部分的重力作用,工作条件十分恶劣,并且,由于形状复杂、厚薄相差悬殊、尺寸大等原因,不可避免存在铸造缺陷,所以,汽缸容易发生变形和开裂的金属事故。

造成汽缸变形的主要原因如下:

(1)、运行中汽缸壁内外、法兰内外温差较大,造成法兰结合面漏气;汽缸上、下温差过大导致动静部分相摩擦或振动;

(2)、汽缸去应力退火不当,或运行中满水、水击等,都会引起变形;

(3)、汽缸在高温下工作,各部分温度不同,蠕变速度不一,从而引起变形。

造成汽缸开裂的主要原因如下:

(1)、汽缸长期在高温下运行,出现蠕变,脆性增加;

(2)、冶金过程中铸件内部出现裂纹、白点、夹渣等,是造成蠕变裂纹和热疲劳裂纹的根源;

(3)、热处理不当导致材料组织不均匀,而使持久强度和持久塑性下降;

(4)、长期高温运行使汽缸材料组织发生变化;运行中的低频热应;力和蠕变的联合作用更易出现裂纹。

对于出现裂纹的汽缸可采用彻底挖除裂纹并进行补焊的方法加以消除。

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