某新建電廠1號鍋爐配300 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，為亞臨界壓力帶一次中間再熱自然循環(huán)汽包鍋爐。采用平衡通風(fēng)中速磨正壓直吹式送粉系統(tǒng)。燃料為煙煤，鍋爐以最大連續(xù)負(fù)荷(MCR)丁況為設(shè)計(jì)參數(shù)，最大連續(xù)蒸發(fā)量1 025 t/h，過熱器、再熱器蒸汽出口溫度為541℃，給水溫度280℃，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
    1號鍋爐本體安裝完畢后進(jìn)行了水壓試驗(yàn)（1.5倍工作壓力，即29.745 MPa）。水壓試驗(yàn)進(jìn)行過程中，當(dāng)壓力升至約20 MPa時(shí)，尋檢人員聽到爐內(nèi)有異常聲音，檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐前包墻水冷壁變徑管有2根發(fā)生爆裂，兩處爆口形貌特征基本相同，爆口均在小口徑側(cè)，呈縱向分布，1號爆口示意圖見圖1。爆口處小口徑管規(guī)格為∮42 mmx5.5 mm,大口徑管規(guī)格為∮5.1mmx6.5 mm，材質(zhì)均為20鋼，包墻設(shè)計(jì)壓力19.2 MPa，自然循環(huán)。
1、分析方法
    首先對爆口形貌進(jìn)行宏觀觀察，再用SMZ-10體視顯微鏡對斷面進(jìn)行低倍觀察分析，用NEOPHOT-32臥式金相顯微鏡分析管子的微觀組織，在WE-10萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行常溫力學(xué)性能試驗(yàn)，并用JSM-840掃描電子顯微鏡對斷口進(jìn)行了分析，另外還進(jìn)行了化學(xué)成分、壓扁和顯微硬度試驗(yàn)分析，
2、試驗(yàn)與分析
2.1宏觀觀察
    宏觀觀察發(fā)現(xiàn)：裂紋位于水冷壁管的變徑處和細(xì)管焊縫之間，沿鋼管軸線向粗細(xì)兩側(cè)延伸，裂紋長約150 mm，內(nèi)表面裂紋較外表面裂紋略長些，說明裂紋可能是由內(nèi)向外擴(kuò)展。
    斷面清洗干凈后，用SMZ-10體視顯微鏡對斷面進(jìn)行低倍觀察，低倍下絕大部分?jǐn)嗝娉式Y(jié)晶狀，斷裂面上靠近變徑管內(nèi)側(cè)有一長約20 mm的窄帶，表面附有蘭色及紅色氧化物，從裂紋的擴(kuò)展方向來看，水壓試驗(yàn)過程中，裂紋正是由此處開始向外快速擴(kuò)展，最終造成水冷壁管子爆裂。
2.2掃描電鏡斷口分析
    用JSM-840掃描電鏡對低倍顯微鏡下觀察到的附有氧化層的窄帶進(jìn)行觀察分析。該窄帶位于斷裂面靠近變徑管內(nèi)側(cè)處，長約20 mm左右，寬約0.45mm，窄帶表面有氧化層，此氧化層處即為起裂源，起裂源區(qū)形貌見圖2(a)所示。
起裂源區(qū)氧化層形貌見圖2(b)所示。起裂源區(qū)有氧化層存在，而氧化層的形成需要時(shí)間，所以氧化層的存在表明起裂源區(qū)存在有原始缺陷，且可能是某種侵入性缺陷，此內(nèi)容在金相組織觀察中予以論述。對圖中氧化層作能譜分析，證明為氧化鐵產(chǎn)物。
    觀察整個(gè)斷口，在起裂源的前沿有約0.4 mm的塑性變形區(qū)，見圖3(a)；而整個(gè)快速擴(kuò)展區(qū)則為純解理開裂，為脆性斷裂，見圖3(b)，證明在當(dāng)時(shí)載荷條件下，管子材料表現(xiàn)出很大的脆性。
    為了便于比較，在裂紋擴(kuò)展前沿制作了人工斷口，兩種斷口交界處微觀形貌見圖4�？梢钥闯�，在不同的載荷條件下，斷面快速擴(kuò)展區(qū)f照片左側(cè)）和人工斷口區(qū)（照片右側(cè)）的斷裂方式不同，原斷口是在管子存在原始缺陷、加載速度較快的情況下造成的，故裂紋快速擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為脆性解理開裂，而人工斷口區(qū)則體現(xiàn)出韌性開裂的特征。
2.3顯微組織分析
    從斷裂的前包墻水冷壁不同部位（包括粗管∮51mmx6.5 mm和細(xì)管∮42mmx5.5mm）截取縱向試樣，觀察其顯微組織，見圖5所示，水冷壁的金相組織為鐵素體十珠光體，部分鐵素體呈帶狀、彎曲狀分布，帶狀組織級別最高為B系列2級。該種組織形態(tài)與水冷壁管受外力作用產(chǎn)生塑性變形，與內(nèi)部的晶粒形態(tài)發(fā)生變化有關(guān)，受拉應(yīng)力時(shí)，晶粒被拉長，帶狀組織使管子在性能上表現(xiàn)出各向異性。
    另外，從斷裂的水冷壁管變徑處截取橫向金相試樣，在金相顯微鏡下觀察。此處水冷壁管的顯微組織為鐵素體+珠光體，在變徑管內(nèi)表面主裂紋的兩側(cè)發(fā)現(xiàn)有多條與主裂紋大致平行的小裂紋，見圖6。這些小裂紋長短不一，裂紋內(nèi)有氧化夾雜層，即圖2(b)所示類氧化夾雜物。因此可以認(rèn)為：該管子存在有原始小裂紋，在小裂紋內(nèi)壁形成氧化物，在水壓試驗(yàn)過程中，此處即為裂紋源，隨著裂紋的迅速擴(kuò)張，達(dá)到臨界尺寸后，管子即破裂。
2.4常溫力學(xué)性能試驗(yàn)
    為了對比分析失效原因，在失效管樣變徑段與焊縫之間區(qū)域（鋼管規(guī)格為∮42 mmx5.5mm）和未爆管的相同變徑位置上截取縱向拉伸試樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)。同時(shí)為了復(fù)檢前包墻水冷壁管原材料（鋼管規(guī)格為45mmx6.5mm）的力學(xué)性能，在原始管段上截取縱向拉伸試樣，進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。
    由表1可見，對規(guī)格為∮42 mmx5.5 mm的試樣，除未爆管一3試樣以外，其它試樣的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值均超出GB5310-95《高壓鍋爐用無縫鋼管》中規(guī)定的上限值，伸長率則是GB5310-95《高壓鍋爐用無縫鋼管》中規(guī)定伸長率值的～半。所有試樣的屈服強(qiáng)度試驗(yàn)值均超出標(biāo)準(zhǔn)的上限值。
    規(guī)格為Ø51 mmx6.5 mm的原始管試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長率符合GB5310-95《高壓鍋爐用無縫鋼管》中有關(guān)力學(xué)性能的要求。
    屈強(qiáng)比表示了材料均勻變形的能力，由塑性變形至最后斷裂的形變?nèi)萘�，其值越大，材料的承載能力、利用率越高，但材料在斷裂前塑性“儲(chǔ)備”太少，對應(yīng)力集中敏感，耐疲勞抗力下降，安全可靠性下降。尤其是構(gòu)件在制造過程中產(chǎn)生加工硬化、裂紋和殘余應(yīng)力時(shí)，對安全性危害更大。一般碳素鋼屈強(qiáng)比為0.6～0.65。由表1可見，大部分試樣的屈強(qiáng)比偏高。
    鋼管材料在發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著滑移的進(jìn)行，沿滑移面附近的晶格發(fā)生歪曲和畸變，滑移區(qū)的晶粒被破碎，造成了金屬進(jìn)一步塑性變形的困難，使得鋼管材料的硬度升高，強(qiáng)度增加，屈強(qiáng)比大幅度提高，導(dǎo)致金屬材料的塑性與韌性急劇下降，材料脆性急劇增大。若材料內(nèi)部存在有某種缺陷，則在一定外力作用下，內(nèi)部缺陷極易失穩(wěn)，從而引起開裂。
2.5其它試驗(yàn)
    進(jìn)行了壓扁、化學(xué)成分及硬度試驗(yàn)。壓扁和化學(xué)成
分試驗(yàn)均符合要求。
    在顯微組織分析試樣上進(jìn)行了硬度試驗(yàn)，規(guī)格為∮42 mmx5.5 mm試驗(yàn)管樣的硬度值在220～235HB范圍區(qū)間，而規(guī)格為4.5mmx6.5 mm試驗(yàn)管樣的顯微硬度值在130～170HB范圍區(qū)間�？梢�，顯微硬度試驗(yàn)反映的信息與常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果一致。
3、結(jié)論
    某電廠1號鍋爐水壓試驗(yàn)時(shí)前包墻水冷壁變徑爆管屬于脆性破裂，爆管的原因是：該段鋼管力學(xué)性能不符合要求，強(qiáng)度過高，韌性太差，屈強(qiáng)比偏高；變徑管內(nèi)表面存在微小裂紋，是爆管產(chǎn)生的根源；顯微組織的不均勻，導(dǎo)致了鋼管性能上的各項(xiàng)異性。
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