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試驗及分析

1.1 宏觀和斷口形貌

宏觀上觀察:兩條裂縫沿變徑管軸向開裂,貫穿整個變徑管至兩端的環(huán)向焊縫處,因撕裂而脫開的母材,小頭端寬度15mm,大頭端寬度36mm(圖1)?變徑管內(nèi)外表面均無嚴重腐蝕現(xiàn)象,但是在變徑管小端內(nèi)表面四周發(fā)現(xiàn)有呈縱向分布的細長凹槽,凹槽越靠近小頭端深度越深?垂直于母材表面的斷口上,平齊而光亮,斷口邊緣母材厚度未減薄,宏觀上呈脆性斷裂特征?從圖2看,斷口面上可觀察到人字條紋,人字條紋的收斂方向指向裂源,即小管端與變徑管的過度處內(nèi)側(cè),其反向為裂紋的擴展方向?整個斷口上的人字紋均指向過度處的內(nèi)側(cè),可以判定該處為裂紋的起裂位置?

1.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)設(shè)計單位提供的圖紙,汽包水位計處連接的變徑管規(guī)格是:公稱通徑60mm×20mm,過渡段軸向水平長度58mm,設(shè)計材料一種是12Cr1MoVG(GB5310),適用于介質(zhì)參數(shù)為P=9.8MPa?t=540℃,另一種是20G(GB5310),適用于介質(zhì)參數(shù)為P=16.8MPa?t=230℃?這臺鍋爐選用的變徑管材質(zhì)是20G,為了進一步檢驗此處實際材料選用是否有誤,對該爆裂的變徑管?選取的一個未爆裂的變徑管以及小頭端連接焊縫進行化學(xué)成分分析?

小端焊縫選用的焊接材料是碳鋼焊條,未爆裂的變徑管的材質(zhì)是20G,爆裂的變徑管材質(zhì)為合金鋼材料12Cr1MoVG,該處爆裂的變徑管材質(zhì)選用錯誤?

1.3 其它試驗

對該爆裂的變徑管了金相分析和硬度檢測,在分別平行于變徑管表面的縱截面和垂直于變徑管表面的縱截面上取樣進金相分析?在平行于變徑管表面的縱截面上進行金相分析:組織為鐵素體+珠光體,采用比較法,測得晶粒度級別為6~7級?同時,在垂直于表面的縱截面上進行金相分析:組織為鐵素體+珠光體,采用比較法,測得晶粒度級別為6~7級?

對爆裂的變徑管表面進行多點硬度試驗,硬度值在140~240HB之間,表現(xiàn)出很大的不均勻性,另外選取的未爆裂變徑管的硬度值在120~148HB范圍區(qū)間,而且比較均勻?

1.4 制造工藝

該類型變徑管采用模具縮徑壓制而成,因該類變徑管變徑較大,不能一次壓制成型,需要進行5次擠壓縮頸完成,具體工藝流程如下:切割經(jīng)檢驗合格的原材料,初次用模具加壓成60×50mm的變徑管,壓縮完成后加熱到600℃~650℃進行熱處理,隨爐冷卻至400℃以下后出爐自然冷卻,按照此工藝,將變徑管依次擠壓成60×40mm?60×32mm?60×25mm?終制成60×20mm的變徑管?

在5次反復(fù)擠壓及熱處理過程中對制造質(zhì)量存在很多的不確定因素,可能造成管件機械性能受損?退火冷卻時間過短造成局部應(yīng)力未完全消除等?

1.5 應(yīng)力分析

1.5.1 計算模型

考慮到變徑管加工時采用熱壓工藝,壁厚存在不均勻現(xiàn)象,這種不均勻性對應(yīng)力計算有較大影響,因此計算模型根據(jù)實際測量壁厚建立?本例分析的變徑管屬于同心結(jié)構(gòu),故可采用軸對稱結(jié)構(gòu)進行計算?

1.5.2 邊界條件

1)變徑管小端按受到一個與端面相垂直的等效拉應(yīng)力施加約束,此拉應(yīng)力相當(dāng)于在端面足夠遠的地方有一個封頭,等效拉應(yīng)力等于在內(nèi)壓作用下封頭對連接管產(chǎn)生的軸向平均應(yīng)力[1];

2)變徑管大端連接鍋筒接管,在軸向上位移可近似為零,因此在大端施加軸向(Y方向)約束;

3)只考慮內(nèi)壓作用下的變徑管應(yīng)力分布,故取內(nèi)壓為試驗壓力13.5MPa?

1.5.3 計算結(jié)果及分析

變徑管在內(nèi)壓13.5MPa下的等效應(yīng)力分布,可以看出大端的應(yīng)力要比小端的應(yīng)力大,在變徑段靠近大端的過渡區(qū)域存在大應(yīng)力,即圖中的MX位置,大應(yīng)力值為85.351MPa?

大端等效應(yīng)力明顯大于小端應(yīng)力,在大端直管段區(qū)域內(nèi)壓力沿Y軸先減小后增大,在變徑管過渡段距大端距離約52mm處形成一個上凸峰值比大端應(yīng)力還高的波峰,距離大端約110mm處形成波谷然后小幅上升至小端?根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析可知:

1)大應(yīng)力在變徑段靠近大端的過渡區(qū)域,理論上分析,如果超壓的話應(yīng)在大端與直管連接處的內(nèi)表面先開裂失效?

2)大應(yīng)力值為85.351MPa,材料12Cr1MoVG低合金鋼的許用應(yīng)力170MPa,可以得出相應(yīng)的安全系數(shù)為1.99,表明在內(nèi)壓13.5MPa作用下此結(jié)構(gòu)安全?

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結(jié)束語

通過對該類型變徑管的化學(xué)成分分析?常溫力學(xué)性能試驗?金相組織觀察?硬度測試?制造工藝和應(yīng)力分析等方法進行分析,該爆裂的變徑管材質(zhì)與設(shè)計材質(zhì)不符,而制造工藝是按材料20G來設(shè)計的,存在熱處理溫度不夠高?擠壓次數(shù)過多以及冷卻過程時間過短等因素,造成局部應(yīng)力未完全消除,另外,該變徑管存在制造質(zhì)量缺陷,小端內(nèi)表面存在多條軸向細長的凹槽,這些凹槽處易造成應(yīng)力集中,導(dǎo)致該變徑管在水壓試驗時發(fā)生爆裂

因此,電站鍋爐在安裝過程中,應(yīng)對出廠前未進行水壓試驗的承壓元件嚴格把控質(zhì)量,審查質(zhì)量證明書和檢驗產(chǎn)品的制造質(zhì)量,并對材料進行確認,防止材料錯用,導(dǎo)致增加不安全的隱患?