火力发电厂金属典型案例分析.ppt

电厂金属专业典型 案例分析,1、主蒸汽疏水管爆漏事故分析 2、汽轮机转子叶片断裂案例分析 3、汽缸螺栓断裂事件分析,主蒸汽疏水管暴漏 事故分析,1、事件概况 某电厂2007年2月8日，4号机组在启动过程中，主蒸汽疏水管弯头突然发生爆漏，暴漏位置为汽机6.3米平台2号主汽门前疏水第一只弯头的背狐侧。参数：主蒸汽压力17.26MPa,温度540，疏水管规格为63x12.5mm，材料为SA213-T22,弯头采用同规格管子直接冷弯加工而成。,a)爆漏位置,b)爆口形貌,图1 主蒸汽疏水弯头暴漏现场情况照片,1、事件概况 同年2月24日，4号机组在调停检修后重新启动过程中，主蒸汽疏水管弯头发生第二次爆漏，此次暴漏位置为汽机6.3米平台主蒸汽管三通前疏水第一只弯头的背狐侧。,图2 主蒸汽疏水弯头第二次爆漏现场情况图片,2、原因分析 第一次爆管后，对管样进行了元素分析、常温力学性能、金相组织检验均未发现异常。两次爆管形貌一样，遂将样管从中间刨开，发现弯管背狐冲刷痕迹明显，且管子壁厚逐渐减薄。,图3 爆漏样管纵剖图,2、原因分析 （1）仔细分析爆口位置和形貌，不难发现爆漏点恰好正对进口侧直管，可见管内汽水介质在管内运动，遇到弯头时，会使弯管截面自然收缩汇聚，尤其是当介质存在汽水两相时，较重的水颗粒因运动惯性和离心力的作用，会加速汇聚到一点，所以冲刷只针对弯管背弧局部某一点。这样一来因长期对该点冲刷最后导致泄露。 （2）该厂主蒸汽疏水管弯管是由直管直接冷弯成形的弯管，背弧壁厚较薄，弯管半径较大，内壁光滑，因而管内介质流速较快，也是弯头容易冲刷减薄的另一个主要原因。,2、原因分析 （3）主蒸汽管道压力高，疏水压差大，因而疏水介质流速快；主蒸汽管道管径和壁厚大，管道长，因而暖管和疏水时间长。 （4）阀门内漏问题；机组启停较频繁问题，（有资料介绍机组启停次数达100次就要更换疏水弯头）。这些也都是主蒸汽管道疏水管相对容易冲刷减薄的原因。,防范措施 1、运行5万小时或启停次数超过70次将更换主蒸汽管道疏水弯头，更换为加厚的机制或热压弯头。 2、定期对疏水管道弯头进行壁厚检查，重点检查弯头背弧正对进口方向的部位，为了防止漏检，建议采用多点测厚法。 3、运行上，在保证不影响疏水效果的前提下，应尽量缩短疏水时间。 4、检修上，应确保疏水阀门严密不泄露。,汽轮机叶片断裂 事件分析,1、事件概述 某电厂3号汽轮发电机组为哈尔宾汽轮机厂有限责任公司产超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、凝汽式机组，型号为CLN600-24.2/566/566。该机自2006年6月投产。2013年3月机组A级检修时检查发现#1低压转子励磁侧末级第97片叶片发生断裂。断裂位置位于叶片顶部与围带交接处。断裂叶片材质为0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4TH），叶片长度为550mm。,2、试验与分析 （1）宏观检查 断裂位置位于叶片顶部与围带交界处。围带脱落后无法找到。断裂叶片的宏观形貌如图1,2、试验与分析 （1）宏观检查 断口的形貌如图2所示，断口表面呈灰褐色，该断口具有典型的疲劳断口特征。断口可分为三个区，A所指的区域为疲劳源区和疲劳裂纹缓慢扩展区，该区域较为光滑平整，呈细瓷状，区内可看到明显的贝纹线。箭头所指处为贝纹线对应的圆心，即疲劳源点。B和C所指的区域为疲劳裂纹快速扩展区，这两个区域表面略粗糙。D区为最终破断区，该区域呈纤维状，为静撕裂区。,2、试验与分析 （2）化学成分分析 将断裂的叶片取样进行化学成分分析，分析结果见表1。,分析结果表明断裂叶片的化学成分基本符合汽轮机叶片用钢的技术要求。,2、试验与分析 （3）硬度测试 测试叶片断口附近内弧面硬度。测试结果见表2,测试结果表明，断裂叶片的硬度值也符合汽轮机叶片用钢标准的技术要求。,2、试验与分析 （4）金相检查 金相检验结果见图3。金相组织为回火马氏体，组织状态正常。,3、原因分析 (1)由表1可知叶片材料的化学成分符合规定要求：叶片的显微组织正常，为回火马氏体，说明叶片热处理工艺基本良好；由表2可知，断裂叶片的硬度也符合要求。所以，叶片断裂不是因材质不良引起的。,3、原因分析 （2）叶片断口宏观检查表明，该断口较平整，贝纹线清晰，疲劳裂纹缓慢扩展区呈细瓷状结构，这些特征表明该叶片具有高周疲劳损坏特征。断口裂纹源区位于叶片内弧面靠近出汽侧处。A区箭头所指处为疲劳源区，裂纹扩展方向与贝纹线垂直，因此，疲劳裂纹源在该处产生后分别向两边扩展。由于终断区所占面积较大，约为整个断口面积的二分之一，说明该叶片断裂前承受了较高的应力水平。,3、原因分析 （3）由于该叶片的疲劳裂纹源区从叶片断口中部开始，因此叶片表面存在缺陷并形成疲劳源的可能性较大。叶片表面的夹杂、腐蚀点坑、划痕等都会使叶片的疲劳强度大大降低。其次，由于该机组长期带部分负荷运行，会使叶片承受的应力水平升高，导致其提早发生疲劳损坏。此外若叶片运行工况不正常而发生共振，则该叶片在交变应力的作用下很容易发生疲劳断裂。 综上所述，3号汽轮机叶片断裂属疲劳断裂。叶片表面质量和运行条件不良可能是导致其发生疲劳断裂的原因。,4、防范措施 （1）更换新叶片，严格控制叶片安装工艺，更换后进行叶片频率试验，以检验换装叶片的安装质量，保证机组安全运行。 （2）加强对叶片表面质量的检查，有必要时进行探伤检查。 （3）改善运行条件，消除共振。,5、扩展知识 汽轮机叶片断裂事故 按照叶片断裂的性质，叶片断裂可分为长期疲劳损坏、短期疲劳损坏、接触疲劳损坏、应力腐蚀和腐蚀废劳损坏等。,1长期疲劳损坏 长期疲劳是指叶片运行过程中，承受低于叶片原始疲劳极限的应力，经过较长的时间 (远大于107次)才发生的一种机械疲劳损坏。,例如，因叶片或叶片组存在着某种高频振动而引起共振损坏；叶片表面有缺陷(如夹杂、腐蚀点坑、划痕等)，使叶片局部区域产生应力集中而提早发生疲劳损坏；由于运行不正常(如低周波运行、超负荷运行、低负荷运行等)，使某些级的叶片应力升高，导致提早破坏。长期疲劳损坏在电厂叶片事故中最为常见。,长期疲劳损坏的宏观特征是断口乎整、断面呈细瓷状结构，贝壳纹清晰，疲劳断裂区面积一般大于静撕裂区面积。当应力水平稍高时，疲劳断裂区面积会减小；反之，叶片应力水平较低，破坏时间较长的断口，疲劳断裂区域面积就大一些。因而可从分析断口的疲劳断裂区面积的大小来推断叶片受载荷力的大小。 防止长期疲劳损坏的主要措施是：消除共振、提高叶片制造质量和安装质量、行条件。,2短期疲劳损坏 短期疲劳损坏是指叶片在运行过程中，受到外界较大的应力或是较大的激振力，导致叶片只受了较少的振动次数（小于107108次）就发生断裂的一种机械疲劳损坏。,例如，由于运行不正常。疏水系统发生故障，使水进入气轮机内，叶片遭到水的冲击而承受较大的应力，随即很快损坏；或是由于设计不良，安装不好，存在较大的低频激振力（如转子不平衡而产生的振动；隔板结构不佳或安装不良，存在较大的交变应力；或是喷嘴损坏，使叶片受到不均等），当低频激振力与叶片的自振频率相同时就引起共振，会很快导致叶片的断裂。,短期疲劳损坏的宏观特征是：断口表面粗糙，疲劳贝壳纹（又称疲劳前沿线）不明显，在断面上疲劳区面积往往小于最后断裂的静撕裂区面积，在断口的四周伴有宏观的塑性变形，经受水击的叶片断口还呈现“人”字型纹络的特征。 防止短期疲劳损坏的主要方法是设法消除低频共振和防止水击的发生。,3接触疲劳损坏 接触疲劳损坏是由于存在着振动，使毗邻的叶片之间或者叶片和叶轮之间产生往复的微量位移，相互接触摩擦的一种机械疲劳损坏。接触应力往往是由叶根齿部设计不合理，或是安装不良所产生的。叶根的接触面因振动而进行往复循环的摩擦，造成根部表面层金属晶体的滑移和硬化，接触摩擦到一定次数后，硬化层会出现微显裂纹，继续不断地接触摩擦会使显微裂纹不断扩展，最终发生接触疲劳断裂。 接触疲劳损坏的宏观特征：断口具有贝壳状特征，并往往伴有因摩擦氧化而产生地斑痕。接触疲劳损坏地显微裂纹呈簇状，大体上互相平行，并与摩擦应力垂直。 防止接触疲劳损坏的措施是：消除共振（特别是切向振型），提高气轮机的安装质量，设法增大叶根的接触面积，改善叶轮与叶根接触面的接触状况使叶根齿部在工作状态下尽量保持均匀的接触，避免局部点或区接触应力的集中。,汽缸螺栓断裂事件分析,1、事件概述 某电厂4号汽轮机为哈尔滨汽轮机有限公司与日本东芝株式会社联合设计制造的CLN10004-25.0/600/600型凝汽式、超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、八级回热抽汽式汽轮机。于2010年1月18日投产。 2012年6月份机组停机大修，检修人员在拆除中压缸螺栓时，发现中压外缸有两根螺栓发生断裂，断裂螺栓编号为42、44，螺栓规格M120x1145，材料牌号为K9A56E（与“火力发电厂高温紧固件技术导则”中的C-42 2Cr12NiMoWV同类）,断裂螺栓具体位置如图1所示,断裂螺栓外观整体形貌见图2,2、主要试验及分析 （1）外观形貌观察：对两根螺栓外观、断口进行观察，其断口形貌，有以下特征，具体见图3； 1）44号螺栓样品断裂处外壁存在一块约45x15mm的补焊区，断裂源区位于断口近外壁边缘的补焊区，补焊区外表面存在磨损痕迹；,图3 螺栓断口形貌,2）两根螺栓均断裂与靠近螺杆中部，断面倾斜，整体与螺栓轴线约呈70度夹角，断口周围无明显宏观塑性变形； 3）两根螺栓样品的一侧断口呈较新鲜的蓝色，其局部区域存在红褐色锈斑，另一侧断口上覆盖一层呈土灰色的物质。,4）42号螺栓样品断裂源区位于近外壁边缘一侧，断口呈粗纤维状，局部存在缩孔残余类缺陷；断口其他区域较粗糙，外壁边缘局部存在于外表面约呈45度角的剪切唇。44号螺栓样品断裂源位于断口近外壁边缘的补焊区，在补焊区底部存在机械打磨痕迹以及未清除完全的缩孔残余类缺陷，补焊区外表面存在磨损痕迹，焊缝及热影响区存在沿晶微裂纹；断口其他区域较粗糙，外壁边缘局部存在与外表面约呈45度角的剪切唇。,图3 螺栓断口形貌,（2）室温拉伸与冲击试验 在断口附近及一端螺纹处各取拉伸试验与冲击试验。,由表可见：螺栓样品室温下的规定塑性延伸强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率均符合标准要求；样品冲击吸收能量也符合标准要求,（3）化学成分分析 对两根螺栓样品进行溶样化学成分分析，,由表可见：两根螺栓样品中的Mo元素含量不符合标准要求，均低于标准。,（4）硬度试验 在螺栓的断口附近及一端，各取一根环样进行硬度测试,由表可知，两根螺栓的布氏硬度符合标准要求，断口附近的硬度平均值略高于一端面，每个样品不同部位的硬度较均匀,（5）金相试验 在螺栓的断口及附近不同区域取金相试验进行组织分析,两根螺栓样品组织中存在明显的偏析，但尚符合GB/T20410中的规定要求；组织中存在较多呈聚集态分布的白亮第二相大颗粒：表明样品组织状态虽符合标准要求，但组织状态不理想；,42号螺栓样品断口处局部存在缩孔残余类缺陷； 44号螺栓样品断口源区焊缝金属及热影响区存在较多沿晶微裂纹。,（6）补焊区维氏硬度试验 在44号螺栓上的补焊区的试样进行维氏硬度试验,焊缝金属的维氏硬度为247HV，热影响区维氏硬度为421HV，均不符合GB/T 20410对该种材质螺栓的要求,（7）断口电镜扫描试验 对两根螺栓的断面进行电镜扫描,由图可见：42号螺栓样品断裂源区唯一近外壁边缘一侧，源区局部存在缩孔残余类缺陷，其他区域断口主要为准解理形貌，局部可见沿晶开裂形貌。,（7）断口电镜扫描试验,44号螺栓样品断裂源区位于断口近边缘的补焊区，在补焊区底部存在未焊透、机械打磨痕迹以及未清除完全缩孔残余类缺陷，补焊区外表面存在磨损痕迹，热影响区局部存在沿晶二次裂纹；断口其他区域较粗糙，外壁边缘局部存在与外表面约呈45度角的剪切唇,3、综合分析 （1）补焊的影响：C-422材料是一种高强度螺栓钢，由于合金元素Cr、Mo、W等较高，其焊接较差。从断面频谱分析可知，焊材用的是ERNiCr-3类材料，焊接完未进行热处理，这一点从补焊区的维氏硬度可以知道，焊缝硬度低；焊接过程中，热影响区由于冷却速度较快，在冷却过程中容易生成粗大的柱状晶，这些成分都会影响材料的性能；再加上较大的拘束应力作用，会在这些区域产生较大的应力集中，严重时会产生裂纹，44号螺栓补焊区有许多微小的沿晶裂纹就说明了这一点。还有韩缝-热影响区-母材之间，不合理的硬度匹配，也就是其性能匹配的不合理，更加大了补焊区产生开裂的几率。所以补焊是44号螺栓断裂失效的主要原因,（2）组织偏析的影响 两根螺栓的组织中都有明显的组织偏析，组织中有粗大的二次相，这些二次相呈聚集态，有些甚至是带状分布，这都会影响材料的各向同性，严重时会在这些区域形成性能弱化带，这些弱化带就为裂纹的形成创造了条件。还有这些组织偏析区域富含Cr、W、MO、V元素，这就可能在这些偏析区的附近或其他区域产生“贫铬区”或其他元素的贫化区，从而使这些区域的一些特殊性能，如抗腐蚀性能等下降，这在一定程度上也影响材料的整体性能。,（3）Mo元素对材料性能的影响 Mo元素加入钢中，会固溶与基体中并引起较大的金属晶格畸变从而实现固溶强化的作用，同时也参与钢材的析出强化，可以较大提高钢材的高温强度，还有Mo原子的固溶强化作用阻止材料因位错密度降低和马氏体板条粗化所引起的持久强度下降。 Mo元素含量低，这种强化和阻滞作用效果会下降，自然也影响了钢材的性能。所以两根螺栓Mo元素含量不合格，是造成螺栓断裂失效的另一原因。,（4）汽缸热变形的影响 汽缸在高温下运行时，由于受热，制造过程中的残余应力要进行释放，汽缸也会发生膨胀，但由于某种原因其膨胀不正常，从而使内缸、外缸发生局部外张口，这使得螺栓在承受正常的轴向拉应力的支点，其受力最大，作用效果最为明显；还有在汽缸结合面，螺栓表面温度较两端要高一些，材料的强度要低于两端，故螺栓中间在汽缸结合面附近就成为螺栓性能最薄弱部位，这也就是两根螺栓断裂都发生在结合面附近的原因。汽缸外张口也就是螺栓断裂失效的外在因素。,（5）制造缺陷影响 两根螺栓在断裂处都有缩孔类缺陷，44号螺栓缺陷在精加工时进行了打磨并补焊，42号螺栓缺陷未处理。材料中存在缩孔等缺陷，不但减小了材料的受力的有效壁厚，还减小材料的强度，而且缺陷的尖端容易造成应力集中，使材料产生裂纹的可能性要远远大于完好部位，如果缺陷处于汽缸结合面附近，就加大了这些部位开裂的可能性。,4、本课程的内容、特点和学习方法,4、防范措施 （1）对中压缸其他螺栓，尤其是中间处于汽缸结合面附近的螺栓表面，增加无损检测盒宏观金相检测，发现补焊区或缺陷应进行更换，以排除补焊的螺栓继续服役。 （2）加强新螺栓的入厂验收，在进行材质检验、无损检测的同时，必要时也应进行螺栓中间段宏观金相检测，杜绝材质不合格或补焊过的螺栓在现场使用。 （3）研究汽缸的热膨胀规律，尽可能大地消除其外张口现象，最大可能地减少或杜绝因汽缸外张口而附加在螺栓上的弯曲应力。,扩展知识 螺栓的断裂分析 螺栓的断裂，特别是高温螺栓在运行过程中的断裂，是火电厂中常见的金属事故。按照螺栓断裂的特性可分为三种类型。 （一）脆性断裂 螺栓的脆性断裂在断裂事故中占的比重最大，断裂的宏观特性是断口粗糙，呈结晶状。 断裂处无明显的塑性变形。有的断口上明显地分为两部分，一部分属于旧断口，其表面有严重的锈斑，无金属光泽，另一部分是新断口，表面呈结晶状，有金属光泽。这种现象说明了螺栓在断裂前，有一部分已产生了裂纹，最后是由裂纹扩展引起的断裂。 脆性断裂的螺栓，室温冲击韧性值很低，ak值仅为531J/CM2，说明螺栓的材质已经脆化。双头螺栓脆断部位常常发生在旋入端第一扣到第三扣螺纹的根部。,（二）疲劳断裂 螺栓的疲劳裂纹一般都产生在裂纹最大负荷扣的最大应力表面上，有的螺纹第一道螺纹上的应力达到全部应力的50%（典型的应力集中现象！）有的裂纹发生在螺栓材料的某一缺陷处（疲劳源）。 螺栓中一旦产生了裂纹，便在应力不断作用下，裂纹逐渐扩展，当剩余的有效断面不足以承受所加