200MW机组输煤栈桥钢桁架塌落原因分析及对策

2011-10-27房金秋李奇桐任继红韩非

中国科技信息 2011年23期

关键词：断裂韧性栈桥桁架

房金秋李奇桐任继红韩非

1.黑龙江省电力科学研究院，黑龙江哈尔滨 150030；2.龙电集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150001；

3.华电能源股份有限公司哈尔滨第三发电厂，黑龙江哈尔滨150024

200MW机组输煤栈桥钢桁架塌落原因分析及对策

房金秋1李奇桐2任继红1韩非3

1.黑龙江省电力科学研究院，黑龙江哈尔滨 150030；2.龙电集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150001；

3.华电能源股份有限公司哈尔滨第三发电厂，黑龙江哈尔滨150024

本文对国产200MW机组燃煤贮运系统输煤栈桥钢桁架塌落原因进行深入的分析和探讨，通过对输煤栈桥钢桁架塌落断口进行化学成分分析、机械性能、金相、扫描电镜及能谱试验，发现了输煤栈桥钢桁架塌落的原因，是由于长期运行，使得钢的抗拉强度降低，导致输煤栈桥钢桁架脆性断裂，为预防类似事故的发生提供了理论依据。

脆性断裂；抗拉强度；石墨；(Mn，Fe)S夹杂物

引言

在国内火电厂的燃煤贮运系统中，输煤栈桥是其重要组成部分，由于其很少发生故障或事故，长期以来，其安全性受到大家的忽视，且很多输煤栈桥已经服役二、三十年，存在很大的安全隐患。我们通过对一起输煤栈桥钢桁架塌落事故进行的原因分析，旨在引起大家对输煤栈桥安全性的重视，举一反三，防微杜渐，防止类似事故的多发。

1、事故现场简介

某电厂使用的两台200MW凝汽式机组，分别于1986年、1987年投产发电，其燃煤贮运系统分为一期、二期两套系统，一期输煤系统为1、2号机组供煤。2011年1月10日上午10:38时，为1、2号机组输煤的一期5号栈桥最高跨钢桁架突然塌落，造成5号栈桥两路皮带断裂，皮带构架脱落，附属电缆及冲洗水管拉断。

一期5号输煤栈桥位于#2转运站与主厂房之间，总长（水平）122.535m；5个柱距，柱间距分别为（以#2转运站为起点）24m，23.868m，17.607m，28.53m，28.53m；两起点标高分别为11.7m，39.936m（主厂房侧）。栈桥宽度6.9m。受力体系为，横向采用框架结构承重，纵向采用下承式钢桁架承重，桩基础支撑。结构形式为，预制钢筋混凝土槽型板，现浇钢筋混凝土框架，焊接钢桁架，预制钢筋混凝土拱壳板。支柱与钢桁架支座铰联接，主厂房侧为滚轴支座。

塌落的钢桁架跨度30m（斜长）。沿运煤皮带运行方向左右分别定义两榀桁架为左榀钢桁架、右榀钢桁架。

首先是右榀钢桁架塌落，钢桁架塌落同时将整垮载荷全部加在左榀钢桁架上，使左钢榀桁架因承重超载而一同塌落，楼板及围护结构一同塌落。塌落后每榀钢桁架各断为两截。右榀钢桁架断口：下弦杆在距钢桁架跨中右侧1.2m接头焊缝处，上弦杆在钢桁架跨中节点处。左钢榀桁架断口：上弦杆在中间节点，下弦杆未断，腹杆从节点分离。上、下弦杆由两根等边角钢加两根不等边角钢构成。其中下弦杆断口平齐，无颈缩，呈脆性断裂特征；上弦杆断口杆件翼缘卷曲，有压曲及触地撞击特征。

为了更准确分析塌落原因，我们对断口进行了宏观检验、化学成分分析、常温机械性能、弯曲试验、金相检验、扫描电镜、能谱分析。

2、原因分析

2.1 宏观检验下弦杆断口平坦,无剪切唇，断面颜色较光亮，断口呈人字纹放射线, 人字纹结点为裂纹源,其放射方向为裂纹扩展方向。呈脆性断裂特征。

2.2 用化学方法进行成分分析，1号样的含量符合前苏联标准ГОСТ 380—71的规定，合格。2号样的Si（硅）和Mn（锰）含量超过前苏联标准ГОСТ 380—71的规定，其余合格。结果见表1。

表1 栈桥钢桁架化学成分分析

2.31 号样的下屈服强度和抗拉强度不满足前苏联标准ГОСТ 380—71的规定值，其余合格。2号样的抗拉强度不满足前苏联标准ГОСТ 380—71的规定下限值，其余合格。

1号样和2号样的抗拉强度下降，说明该材料抵抗断裂的能力降低，发生断裂。

2.4 弯曲试验

根据前苏联标准ГОСТ 380—71的规定：壁厚小于等于20mm，弯心直径等于0.5mm，冷弯角度180°，对1号样和2号样各两块进行弯曲试验，四块弯曲试样未发现裂纹。

2.5 金相检验

断口金相组织为铁素体加珠光体，长条状、球状(Mn，Fe)S夹杂物。

2.6 扫描电镜及能谱检验

通过对1号样和2号样的断口检验发现断口形貌为脆性断口：扇形花样、解理台阶、河流花样、解理舌及大量弥散(Mn，Fe)S夹杂物颗粒，是脆性断裂。发现穿晶裂纹，未发现疲劳辉纹，不是疲劳断裂。并意外地发现有黑色条状石墨和团絮状石墨存在。

3、分析讨论

3.1 环境温度的影响

引起解理断裂的主要因素有环境温度、介质、加载速度、材料的晶体结构、显微组织和应力大小与状态等。

塌落时，正值负载运行，且气温很低，约-26℃。因此环境温度影响很大。环境温度影响解理裂纹扩展时所吸收能量的大小,随着温度的降低,解理裂纹扩展时所吸收的能量较小,更容易导致解理断裂。

3.2 非金属夹杂物对钢的断裂韧性影响

长条状和大颗粒(Mn,Fe)S夹杂物是直接由钢液中熔融状态液滴状(Mn,Fe)S夹杂物在钢凝固后形成的。非常细小的球状或锥状(Mn,Fe)S夹杂物是因钢液中Mn和S的含量较高，在钢凝固时从钢液中析出的。

硫及硫化物的含量增加降低钢的各种韧性指标，钢的断裂韧性随着夹杂物数量或长度的增加而下降。通过对硫化物和氮化物夹杂对钢的断裂韧性的影响研究了，结果得出：对断裂韧性的危害由小到大依次为VN→TiS→AlN→NbN→ZrN→Al2S3→CeS→MnS；夹杂物含量与断裂韧性大小呈线性反比关系，TiS对断裂韧性没有影响。一些研究工作讨论了夹杂物作为裂纹根源的作用问题，研究证明，钢中的脆性夹杂物由于与钢基体的热膨胀系数不同，在夹杂物周围容易产生内应力。

3.3 钢中团絮状石墨的危害

石墨本身的强度极小，在钢中可以把它看成是孔洞和裂缝。石墨的存在，一方面破坏了金属基体的连续性，缩小了真正承载载荷的有效截面；另一方面，它产生缺口效应，导致应力集中。钢在轧制和使用过程中，不会产生团絮状石墨；只能是非正常冶炼工艺过程添加不能固溶的碳形成的。碳素钢中正常冶炼和轧制均不能产生石墨，钢中存在不能固溶的石墨碳导致钢的基体强度大大下降。[4]