电站锅炉除渣机摆臂断裂原因分析

张 杰,张美玲,贺 艳

(深圳市质量安全检验检测研究院,广东 深圳 518029)

0 引 言

除渣机是电站锅炉的主要辅机之一,其运行状态的好坏直接影响锅炉的正常运转[1-2]。作为除渣机的重要部件,摆臂若受到损坏不能正常工作,将直接导致除渣机失效,使炉渣不能及时清除,进而影响锅炉的热效率,同时锅炉本体使用寿命也会受损。因此,对除渣机摆臂损坏原因进行针对性地分析,才能制定预防类似事故的措施和对策,从而保障机组的安全运行。

1 事故概况

2020年,某电站锅炉除渣机在运行过程中,其摆臂发生断裂。该电站锅炉除渣机于2019年投入使用,除渣机摆臂结构如图1所示,摆臂主要由摆臂主体与抱箍(包括上抱箍与下抱箍)组成。其中上抱箍与下抱箍通过螺栓连接,下抱箍与摆臂主体通过焊缝连接,断裂位置位于下抱箍与摆臂主体连接处。抱箍为铸钢件,牌号为ZG230-450;摆臂主体材料为Q345B。

图1 除渣机摆臂结构

2 宏观检查

2.1 整体宏观检查

除渣机摆臂断裂后形貌如图2所示,其中图2(a)为除渣机摆臂断裂后下抱箍形貌,图2(b)为除渣机摆臂断裂后摆臂主体形貌。由图可知,此次除渣机摆臂断裂主要是下抱箍与摆臂主体分离,下抱箍与摆臂主体原本是通过角焊缝连接,除了除渣机摆臂下颌端分离的位置是在摆臂主体的母材上,其余分离位置(包括上颌端与中间端)均为下抱箍与摆臂主体的结合处(角焊缝位置)。由以上形貌特征可知,除渣机摆臂断裂应从上颌端开始,最后断裂位置位于下颌端。

图2 除渣机摆臂断裂后宏观形貌

2.2 上颌端宏观检查

对除渣机摆臂上颌端(包括下抱箍与摆臂主体)进一步宏观检查可知，在除渣机摆臂上颌端的下抱箍的焊缝上存在明显气孔、焊渣、未熔合缺陷，如图3(a)所示;在除渣机摆臂上颌端的摆臂主体上，还保留有母材的原始火焰切割形貌及不规则的坡口，两侧有残留焊缝断口，焊缝断口上可见气孔、夹杂，如图3(b)所示。将上颌区的下抱箍部分区域与摆臂主体部分区域拼接后发现,侧面能完全拼接在一起,如图4(a)所示;但正面形貌可见焊缝中间存在较大的空隙,空隙贯穿整条焊缝,空隙横截面积约占整个焊缝横截面积的2/3,如图4(b)所示。

图3 除渣机摆臂断裂后上颌端宏观形貌

图4 下抱箍与摆臂主体拼接后宏观形貌

3 理化检验

3.1 化学成分分析

分别截取除渣机的下抱箍、摆臂主体、焊缝试样,经清洗、干燥、打磨后,采用电火花直读光谱仪进行化学成分分析,结果见表1～表3。由表1可知,下抱箍化学成分符合JB/T 5939—2018《工程机械铸钢通用技术条件》对ZG230-450的技术要求[3];由表2可知,摆臂主体化学成分符合GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》对Q345B的技术要求[4];由表3可知,焊缝化学成分符合GB/T 5117—2012《非合金钢及细晶粒钢焊条》对E5015的技术要求[5],故推测焊缝材料牌号可能是E5015。

表1 下抱箍化学成分分析

表2 摆臂主体化学成分分析

表3 焊缝化学成分分析

3.2 显微组织分析

在除渣机摆臂的下抱箍、摆臂主体及焊缝上分别截取横截面试样,经打磨、抛光后,用4 %硝酸酒精溶液浸蚀,横截面显微组织如图5所示。其中下抱箍端母材的显微组织为铁素体+珠光体,为铸态组织,如图5(a)所示;焊缝显微组织为枝晶组织,如图5(b)所示;摆臂主体显微组织为铁素体+珠光体,并呈带状分布,如图5(c)所示。以上组织中均未出现异常情况。

图5 显微组织

3.3 硬度分析

分别对除渣机的下抱箍、摆臂主体、焊缝等部位多次截取试样,经打磨及抛光后,进行硬度测试,具体结果见表4～表6。由表4可知,下抱箍维氏硬度平均值为145,根据GB/T 33362—2016《金属材料 硬度值的换算》,换算出下抱箍的抗拉强度约为465 MPa[6],符合JB/T 5939—2018《工程机械铸钢通用技术条件》对ZG230-450的技术要求;由表5可知,摆臂主体的维氏硬度平均值为191,根据标准换算出摆臂主体的抗拉强度约为610 MPa,符合GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》对Q345B的技术要求;由表6可知,焊缝的维氏硬度平均值为193,根据标准换算出焊缝的抗拉强度约为620 MPa,符合GB/T 5117—2012《非合金钢及细晶粒钢焊条》对E5015焊条的技术要求,与理化成分分析的结果相符,进而可以判断出焊缝材料牌号为E5015。

表4 下抱箍维氏硬度测试结果

表5 摆臂主体维氏硬度测试结果

表6 焊缝硬度测试结果

3.4 可焊性分析

通常可以根据铸钢件的化学成分来确定其焊接性,钢中各元素对焊接性能的影响采用碳当量表示,其计算式为

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为碳当量,%;w为元素质量分数。

将下抱箍化学成分与摆臂主体成分分别代入式(1)中,可得ZG230-450的碳当量约为0.26 %,Q345B的碳当量为0.39 %。

4 综合分析

结合化学成分分析数据、硬度测试结果转化成的抗拉强度值及其显微组织状态可知,除渣机摆臂下抱箍的材料为ZG230-450、摆臂主体材料为Q345B、焊缝材料为E5015,且下抱箍、摆臂主体及焊缝组织中均未见异常。通常情况下,碳当量不超过0.45%时,材料焊接性良好,通过对下抱箍材料及摆臂主体材料的碳当量计算可知,二者的碳当量均小于0.4%,符合要求[7];E5015属于结构钢焊条,可用于全位置焊接[8]。因此,除渣机摆臂的选材没有问题。

根据宏观检查可知,除渣机摆臂断裂位置位于下抱箍与摆臂主体连接处,起裂源在除渣机摆臂的上颌端,最后断裂区位于除渣机摆臂的下颌端。在上颌端区域,大部分下抱箍连着焊缝与摆臂主体几乎完全剥离,在下抱箍的焊缝上可见气孔、焊渣及未熔合缺陷,在摆臂主体的残留焊缝上也可见气孔、夹杂。将上颌端的下抱箍与摆臂主体拼接回去,可见焊缝中存在大范围的未焊透缺陷。在下抱箍与摆臂主体连接的焊缝实际横截面积只有名义焊缝横截面积的1/3,由此将导致焊接有效强度急剧下降。在工作应力的长期作用下,在焊接缺陷处易产生裂纹并逐渐扩展,直至断裂。

5 结 语

通过宏观检查和理化检验分析可知,该除渣机摆臂存在大量焊接缺陷,制造质量较差是发生断裂的主要原因,与材质本身无关。虽然此次除渣机摆臂的断裂未造成重大事故,但必须引起重视。为减少类似事故发生,建议使用单位暂停同批次除渣机摆臂使用,待检测质量合格或者更换摆臂后再行使用;同时建议原除渣机摆臂制造单位加强内部质量管理,提高产品质量。