電站鍋爐除渣機擺臂斷裂原因分析

張 杰,張美玲,賀 艷

(深圳市質量安全檢驗檢測研究院,廣東 深圳 518029)

0 引 言

除渣機是電站鍋爐的主要輔機之一,其運行狀態的好壞直接影響鍋爐的正常運轉[1-2]。作為除渣機的重要部件,擺臂若受到損壞不能正常工作,將直接導致除渣機失效,使爐渣不能及時清除,進而影響鍋爐的熱效率,同時鍋爐本體使用壽命也會受損。因此,對除渣機擺臂損壞原因進行針對性地分析,才能制定預防類似事故的措施和對策,從而保障機組的安全運行。

1 事故概況

2020年,某電站鍋爐除渣機在運行過程中,其擺臂發生斷裂。該電站鍋爐除渣機于2019年投入使用,除渣機擺臂結構如圖1所示,擺臂主要由擺臂主體與抱箍(包括上抱箍與下抱箍)組成。其中上抱箍與下抱箍通過螺栓連接,下抱箍與擺臂主體通過焊縫連接,斷裂位置位于下抱箍與擺臂主體連接處。抱箍為鑄鋼件,牌號為ZG230-450;擺臂主體材料為Q345B。

圖1 除渣機擺臂結構

2 宏觀檢查

2.1 整體宏觀檢查

除渣機擺臂斷裂后形貌如圖2所示,其中圖2(a)為除渣機擺臂斷裂后下抱箍形貌,圖2(b)為除渣機擺臂斷裂后擺臂主體形貌。由圖可知,此次除渣機擺臂斷裂主要是下抱箍與擺臂主體分離,下抱箍與擺臂主體原本是通過角焊縫連接,除了除渣機擺臂下頜端分離的位置是在擺臂主體的母材上,其余分離位置(包括上頜端與中間端)均為下抱箍與擺臂主體的結合處(角焊縫位置)。由以上形貌特征可知,除渣機擺臂斷裂應從上頜端開始,最后斷裂位置位于下頜端。

圖2 除渣機擺臂斷裂后宏觀形貌

2.2 上頜端宏觀檢查

對除渣機擺臂上頜端(包括下抱箍與擺臂主體)進一步宏觀檢查可知，在除渣機擺臂上頜端的下抱箍的焊縫上存在明顯氣孔、焊渣、未熔合缺陷，如圖3(a)所示;在除渣機擺臂上頜端的擺臂主體上，還保留有母材的原始火焰切割形貌及不規則的坡口，兩側有殘留焊縫斷口，焊縫斷口上可見氣孔、夾雜，如圖3(b)所示。將上頜區的下抱箍部分區域與擺臂主體部分區域拼接后發現,側面能完全拼接在一起,如圖4(a)所示;但正面形貌可見焊縫中間存在較大的空隙,空隙貫穿整條焊縫,空隙橫截面積約占整個焊縫橫截面積的2/3,如圖4(b)所示。

圖3 除渣機擺臂斷裂后上頜端宏觀形貌

圖4 下抱箍與擺臂主體拼接后宏觀形貌

3 理化檢驗

3.1 化學成分分析

分別截取除渣機的下抱箍、擺臂主體、焊縫試樣,經清洗、干燥、打磨后,采用電火花直讀光譜儀進行化學成分分析,結果見表1～表3。由表1可知,下抱箍化學成分符合JB/T 5939—2018《工程機械鑄鋼通用技術條件》對ZG230-450的技術要求[3];由表2可知,擺臂主體化學成分符合GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》對Q345B的技術要求[4];由表3可知,焊縫化學成分符合GB/T 5117—2012《非合金鋼及細晶粒鋼焊條》對E5015的技術要求[5],故推測焊縫材料牌號可能是E5015。

表1 下抱箍化學成分分析

表2 擺臂主體化學成分分析

表3 焊縫化學成分分析

3.2 顯微組織分析

在除渣機擺臂的下抱箍、擺臂主體及焊縫上分別截取橫截面試樣,經打磨、拋光后,用4 %硝酸酒精溶液浸蝕,橫截面顯微組織如圖5所示。其中下抱箍端母材的顯微組織為鐵素體+珠光體,為鑄態組織,如圖5(a)所示;焊縫顯微組織為枝晶組織,如圖5(b)所示;擺臂主體顯微組織為鐵素體+珠光體,并呈帶狀分布,如圖5(c)所示。以上組織中均未出現異常情況。

圖5 顯微組織

3.3 硬度分析

分別對除渣機的下抱箍、擺臂主體、焊縫等部位多次截取試樣,經打磨及拋光后,進行硬度測試,具體結果見表4～表6。由表4可知,下抱箍維氏硬度平均值為145,根據GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》,換算出下抱箍的抗拉強度約為465 MPa[6],符合JB/T 5939—2018《工程機械鑄鋼通用技術條件》對ZG230-450的技術要求;由表5可知,擺臂主體的維氏硬度平均值為191,根據標準換算出擺臂主體的抗拉強度約為610 MPa,符合GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》對Q345B的技術要求;由表6可知,焊縫的維氏硬度平均值為193,根據標準換算出焊縫的抗拉強度約為620 MPa,符合GB/T 5117—2012《非合金鋼及細晶粒鋼焊條》對E5015焊條的技術要求,與理化成分分析的結果相符,進而可以判斷出焊縫材料牌號為E5015。

表4 下抱箍維氏硬度測試結果

表5 擺臂主體維氏硬度測試結果

表6 焊縫硬度測試結果

3.4 可焊性分析

通常可以根據鑄鋼件的化學成分來確定其焊接性,鋼中各元素對焊接性能的影響采用碳當量表示,其計算式為

Ceq=w(C)+1/6w(Mn)+1/3w(Cr)+

1/4w(Mo)+1/5w(V)+

1/15w(Ni)+1/13w(Cu)

(1)

式中:Ceq為碳當量,%;w為元素質量分數。

將下抱箍化學成分與擺臂主體成分分別代入式(1)中,可得ZG230-450的碳當量約為0.26 %,Q345B的碳當量為0.39 %。

4 綜合分析

結合化學成分分析數據、硬度測試結果轉化成的抗拉強度值及其顯微組織狀態可知,除渣機擺臂下抱箍的材料為ZG230-450、擺臂主體材料為Q345B、焊縫材料為E5015,且下抱箍、擺臂主體及焊縫組織中均未見異常。通常情況下,碳當量不超過0.45%時,材料焊接性良好,通過對下抱箍材料及擺臂主體材料的碳當量計算可知,二者的碳當量均小于0.4%,符合要求[7];E5015屬于結構鋼焊條,可用于全位置焊接[8]。因此,除渣機擺臂的選材沒有問題。

根據宏觀檢查可知,除渣機擺臂斷裂位置位于下抱箍與擺臂主體連接處,起裂源在除渣機擺臂的上頜端,最后斷裂區位于除渣機擺臂的下頜端。在上頜端區域,大部分下抱箍連著焊縫與擺臂主體幾乎完全剝離,在下抱箍的焊縫上可見氣孔、焊渣及未熔合缺陷,在擺臂主體的殘留焊縫上也可見氣孔、夾雜。將上頜端的下抱箍與擺臂主體拼接回去,可見焊縫中存在大范圍的未焊透缺陷。在下抱箍與擺臂主體連接的焊縫實際橫截面積只有名義焊縫橫截面積的1/3,由此將導致焊接有效強度急劇下降。在工作應力的長期作用下,在焊接缺陷處易產生裂紋并逐漸擴展,直至斷裂。

5 結 語

通過宏觀檢查和理化檢驗分析可知,該除渣機擺臂存在大量焊接缺陷,制造質量較差是發生斷裂的主要原因,與材質本身無關。雖然此次除渣機擺臂的斷裂未造成重大事故,但必須引起重視。為減少類似事故發生,建議使用單位暫停同批次除渣機擺臂使用,待檢測質量合格或者更換擺臂后再行使用;同時建議原除渣機擺臂制造單位加強內部質量管理,提高產品質量。