汽輪機(jī)、鍋爐主要零部件金屬事故分析
一、鍋爐受熱面管子事故分析
鍋爐受熱面管子是在高溫、應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下長(zhǎng)期工作的，當(dāng)管子鋼材承受不了其工作狀態(tài)的負(fù)荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生不同形式的損壞而造成事故。火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管子常見(jiàn)事故主要有以下幾種類(lèi)型：長(zhǎng)時(shí)超溫爆管、短時(shí)超溫爆管，材質(zhì)不良管和腐蝕熱疲勞損壞。
（一）長(zhǎng)時(shí)超溫爆管
超溫是指金屬材料在超過(guò)額定溫度下運(yùn)行。額定溫度指鋼材在設(shè)計(jì)壽命下運(yùn)行的允許最高溫度，也可指工作時(shí)的額定溫度，只要超出上述溫度的一種即為超溫運(yùn)行。
長(zhǎng)時(shí)超溫的管子鋼由于原子擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致鋼材組織發(fā)生變化，使蠕變速度加快，持久強(qiáng)度降低，因此管子達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命就提前爆破損壞。爆管大多發(fā)生在高溫過(guò)熱器管出口段的向火側(cè)及管子彎頭處，水冷壁管、凝渣管和省煤器等也時(shí)有發(fā)生。
在長(zhǎng)時(shí)間超溫爆管過(guò)程中，蒸汽和煙汽等腐蝕介質(zhì)起了加速的作用。當(dāng)管壁溫度超過(guò)其氧化臨界溫度時(shí)，蒸汽和煙汽會(huì)使管壁產(chǎn)生一層較厚的氧化鐵；在管子脹粗時(shí)，這層氧化鐵將沿垂直于應(yīng)力的方向裂開(kāi)；于是重新裸露的金屬在拉應(yīng)力和蒸汽或煙汽的作用下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，加速裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致爆裂。故破口具有脆性斷裂特征，且往往有腐蝕產(chǎn)物存在于裂紋內(nèi)。
（二）短時(shí)超溫爆管
鍋爐受熱面管子在運(yùn)行中冷卻條件惡化、干燒，使管壁溫度短期內(nèi)突然升高，溫度達(dá)到臨界點(diǎn)（Ac1）以上，鋼的抗拉強(qiáng)度急劇下降，管子應(yīng)力超過(guò)屈服極限，產(chǎn)生剪切斷裂而爆管，這種爆管稱(chēng)為短時(shí)超溫爆管。
短時(shí)超溫爆管大多發(fā)生在冷壁管燃燒帶附近及噴燃器附近的向火側(cè)和凝渣管上，省煤器和某些高壓鍋爐的屏式過(guò)熱器也偶有發(fā)生。
由于短時(shí)超溫的管壁溫度高于Ac1，有時(shí)甚至高于Ac3，爆管時(shí)的汽水噴射猶如不同程度的淬火，因此，此時(shí)破口處的組織一般為低馬氏體或貝氏體；過(guò)熱器管破口也可能為珠光體和鐵素體組織。顯然，破口周?chē)懿牡挠捕葧?huì)明顯增加。超溫爆管除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)外，主要是超負(fù)荷運(yùn)行、操作不當(dāng)或管內(nèi)臟物堵塞等原因造成的。超負(fù)荷運(yùn)行會(huì)使對(duì)流過(guò)熱器出口溫度普遍升高，加劇了超溫現(xiàn)象，以致管子蠕變加速；起動(dòng)不正常而使燃燒發(fā)生劇烈變化、升壓速度快或爐膛發(fā)生滅火放炮等都會(huì)引起管子超溫；管內(nèi)臟物或鹽垢堵塞，會(huì)造成汽水循環(huán)不良，引起管子局部過(guò)熱而很快導(dǎo)致爆管。
（三）材質(zhì)不良引起的爆管
材質(zhì)不良的爆管是指錯(cuò)用鋼材或使用了有缺陷的鋼材造成管子提早損壞。
由于用錯(cuò)材料，實(shí)際上是一種超溫運(yùn)行。按照拉爾森─米列爾方程估算，超溫運(yùn)行將會(huì)使鋼管壽命大為縮短，有的甚至運(yùn)行數(shù)千小時(shí)即發(fā)生爆管。 如材料本身存在裂紋、嚴(yán)重脫碳或夾雜等缺陷，或在安裝、檢修時(shí)使用了有折疊、結(jié)疤、裂口的鋼管，則管子強(qiáng)度將被嚴(yán)重削弱，在高溫運(yùn)行過(guò)程中缺陷部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使裂紋擴(kuò)展、缺陷擴(kuò)大而導(dǎo)致爆管。
（四）腐蝕性熱疲勞裂紋損壞
鍋爐受熱面管子的汽水分層、省煤器管汽塞、過(guò)熱器帶水、減溫減壓閥門(mén)間隙性開(kāi)啟等，都會(huì)引起溫度的撥動(dòng)，造成交變熱應(yīng)力，產(chǎn)生熱疲勞裂紋。并且，在腐蝕性介質(zhì)作用下，這些管子上的疲勞裂紋特別容易產(chǎn)生在諸如表面粗糙、劃痕、腐蝕坑等腐蝕速度較大的有缺口區(qū)域，所以稱(chēng)之為腐性熱疲勞裂紋。腐蝕性熱疲勞裂紋一般呈叢狀單行分布，并垂直于應(yīng)力方向。在管內(nèi)壁為橫向環(huán)狀裂紋，裂紋較短，斷口為帶疲勞特征的脆性斷口,
鍋爐受熱面管子在運(yùn)行過(guò)程中，管壁直接與高溫?zé)熎?、水和蒸汽接觸，也會(huì)產(chǎn)生其他腐蝕現(xiàn)象，引起管子過(guò)早的破裂損壞。象空氣預(yù)熱器等如在露天下工作，由于煙汽中有SO2，還會(huì)產(chǎn)生低溫腐蝕損壞。
汽輪機(jī)葉片的損壞形式主要是疲勞斷裂。由于葉片工作條件惡劣，受力情況復(fù)雜，斷裂事故較常發(fā)生，且后果又較嚴(yán)重，所以對(duì)葉片斷裂事故的分析研究一直受到特別重視。按照葉片斷裂的性質(zhì)，可以分為短期超載疲勞損壞、長(zhǎng)期疲勞損壞、高溫疲勞損壞、應(yīng)力疲勞損壞、腐蝕疲勞損壞、接觸疲勞損壞等六鐘。"
1、短期超載疲勞損壞
這種損壞是指葉片受到外加較大應(yīng)力或受到較大激振力，而振動(dòng)次數(shù)低于107次就發(fā)生斷裂的機(jī)械疲勞損壞。如葉片受到水擊而承受較大的應(yīng)力，或因轉(zhuǎn)子不平引起振動(dòng)及安裝不良存在周期力等較大的低頻激振力，當(dāng)這些力引起葉片共振時(shí)，葉片會(huì)很快斷裂。
葉片短期超載疲勞損壞的宏觀特征為：斷面粗糙，疲勞前沿線（即貝殼紋）不明顯，斷面上疲勞區(qū)面積小于最終靜撕斷區(qū)面積；經(jīng)受水擊而損壞的葉片的斷面呈“人”字形紋絡(luò)特征。
防止短期超載疲勞損壞的主要方法是：防止水擊，作好消除低頻共振的調(diào)頻及在正常周波下運(yùn)行。
2、長(zhǎng)期疲勞破壞
長(zhǎng)期疲勞損壞是指葉片運(yùn)行中承受低于疲勞強(qiáng)度極限而應(yīng)力循環(huán)次數(shù)又遠(yuǎn)高于107次發(fā)生的一種機(jī)械疲勞損壞。
造成長(zhǎng)期疲勞損壞的原因有：葉片或葉片組在高頻激振力作用下引起的共振損壞；葉片表面缺陷處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中而發(fā)生的疲勞損壞；低頻率運(yùn)行、超負(fù)荷運(yùn)行使某些級(jí)的葉片應(yīng)力升高導(dǎo)致提早損壞等等。長(zhǎng)期疲勞損壞在電廠葉片斷裂事故中最為常見(jiàn)。
防止長(zhǎng)期疲勞損壞的辦法是：按規(guī)定避開(kāi)高頻激振力共振范圍，提高葉片加工質(zhì)量和改善運(yùn)行條件。如防止低周波、超負(fù)荷運(yùn)行，防止腐蝕和水擊等。
3、高溫疲勞破壞
高溫疲勞損壞是指由蠕變和疲勞共同作用所形成的介于靜應(yīng)力產(chǎn)生的蠕變和動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞之間的一種損壞形式。裂紋源部位呈蠕變現(xiàn)象，斷裂性質(zhì)為持久斷裂和疲勞斷裂的組合，而且往往伴隨著材料組織的變化。
高溫疲勞損壞裂紋基本上是穿晶的，斷口宏觀貌有貝殼花紋，斷口微觀貌有較厚的氧化皮。
高溫疲勞損壞發(fā)生在高壓缸前幾級(jí)葉片、中間再熱式汽輪機(jī)中壓缸前幾級(jí)葉片以及中壓汽輪機(jī)的調(diào)速級(jí)葉片。
防止高溫疲勞損壞的主要措施是：選用高溫性能好的金屬來(lái)制造處于高溫下工作的葉片，防止葉片共振，防止葉片徑向和軸向相摩擦等。
4、應(yīng)力腐蝕損壞
產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要原因是：首先，金屬晶界偏析，析出碳化物，出現(xiàn)貧鉻區(qū)，使晶界腐蝕；其次，應(yīng)力作用；然后，高濃度鹽的腐蝕。應(yīng)力腐蝕主要發(fā)生在2Cr13鋼制造的末級(jí)葉片上。其斷口形貌呈顆粒狀，微觀形態(tài)是沿界裂紋，斷面上有滑移臺(tái)階，并有細(xì)小腐蝕坑。
防止葉片應(yīng)力腐蝕損壞的只要措施是：改善汽水品質(zhì)、提高葉片材質(zhì)、降低葉片動(dòng)應(yīng)力等。
5、腐蝕疲勞損壞
腐蝕疲勞損壞是葉片在腐蝕介質(zhì)中受交變應(yīng)力作用而引起的疲勞損壞。如損壞是以機(jī)械疲勞為主，則裂紋發(fā)展迅速，裂紋為穿晶型；如損壞是以應(yīng)力腐蝕為主，則裂紋發(fā)展較慢，裂紋主要是沿晶型。
防止腐蝕疲勞損壞的主要措施是：提高葉片材質(zhì)耐腐蝕性；降低交變應(yīng)力水平；改善汽水品質(zhì)。
6、接觸疲勞損壞
接觸疲勞損壞是由于葉片根部松動(dòng)，葉根參加振動(dòng)，使葉根之間或葉片與葉輪機(jī)接觸面產(chǎn)生往復(fù)微量相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)而造成的一種機(jī)械損壞。 由于摩擦表面材料晶體滑移和硬化，使硬化區(qū)內(nèi)產(chǎn)生許多平行的顯微裂紋，并不斷擴(kuò)展，從而引起疲勞斷裂。 摩擦裂紋和摩擦硬化現(xiàn)象同時(shí)并存是接觸疲勞損壞的主要基本特征。摩擦硬化和摩擦裂紋僅存于接觸部位表面。
防止接觸疲勞的主要措施是：改善葉片接觸面的緊貼程度，增加接觸面積以防止接觸點(diǎn)接觸的應(yīng)力集中，消除或減弱調(diào)頻葉片的振動(dòng)力。
（二）汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子金屬事故分析
轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中要承受扭距和自重引起的彎應(yīng)力、溫度梯度和溫度變化的熱應(yīng)力、離心力、熱套力、振動(dòng)力和發(fā)電機(jī)短路力距，其工作條件十分惡劣。
汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的金屬事故主要是葉輪、主軸（轉(zhuǎn)子）的變形及開(kāi)裂。
汽輪機(jī)出廠時(shí)的殘余應(yīng)力過(guò)大，運(yùn)輸、安裝不當(dāng)以及運(yùn)行中暖機(jī)不充分，動(dòng)靜部分相摩擦，水擊和滿(mǎn)水等原因，都有可能導(dǎo)致大軸產(chǎn)生永久變形，一旦出現(xiàn)這種情況決不能強(qiáng)行升速，而應(yīng)停機(jī)后直軸。
[直軸方法：對(duì)小型碳鋼轉(zhuǎn)子可采用局部加熱反變形校直；對(duì)大功率合金鋼轉(zhuǎn)子多采用“松弛法”。
2、轉(zhuǎn)子的斷裂
轉(zhuǎn)子斷裂將造成嚴(yán)重事故，應(yīng)引起十分重視。斷裂的起因是出現(xiàn)裂紋。轉(zhuǎn)子發(fā)現(xiàn)第一條宏觀裂紋，在大型汽輪機(jī)中往往作為汽輪機(jī)工作壽命結(jié)束的標(biāo)志。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋的原因主要有以下幾點(diǎn)：
（1）、在熱交變應(yīng)力（低頻熱應(yīng)力）和蠕變聯(lián)合作用下出現(xiàn)裂紋；
（2）、截面交界處過(guò)渡圓角偏小、存在刀痕等原因會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力集中，在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋；
（3）、材質(zhì)不良，存在嚴(yán)重冶金缺陷而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生；
（4）、運(yùn)行不當(dāng)而引起損壞。如啟、停機(jī)，變負(fù)荷等情況下，溫度變化率及溫度變化量過(guò)大，引起熱應(yīng)力過(guò)大等。
3、葉輪的開(kāi)裂
葉輪開(kāi)裂主要出現(xiàn)在低壓級(jí)。由于葉輪直徑大，離心力大，長(zhǎng)期運(yùn)行中鍵槽處由于應(yīng)力集中容易出現(xiàn)裂紋，，裂紋發(fā)展到一定深度會(huì)引起整個(gè)葉輪飛裂。葉輪開(kāi)裂與下列因素有關(guān)：
（1）、鍵槽處加工質(zhì)量差，應(yīng)力集中處往往易生成裂紋并發(fā)展；
（2）、葉輪材料性能差，韌性及塑性低，脆性大，加速了裂紋擴(kuò)展；
（3）、停機(jī)后維修保養(yǎng)不當(dāng)，或水腐蝕造成應(yīng)力腐蝕。
防止葉輪開(kāi)裂的措施：注意停機(jī)后的保養(yǎng)，防止腐蝕；提高冶金及加工質(zhì)量；加強(qiáng)探傷檢查等
（三）汽缸的變形及裂紋
汽缸截面厚度變化大，進(jìn)汽端形狀復(fù)雜，特別是法蘭處厚度非常大，因此在運(yùn)行過(guò)程中汽缸內(nèi)外壁、法蘭內(nèi)外壁溫差懸殊，生成的熱應(yīng)力就非常大，加之溫度變化時(shí)又受到熱交變應(yīng)力作用，同時(shí)，汽缸內(nèi)還承受蒸汽壓力、靜止部分的重力作用，工作條件十分惡劣，并且，由于形狀復(fù)雜、厚薄相差懸殊、尺寸大等原因，不可避免存在鑄造缺陷，所以，汽缸容易發(fā)生變形和開(kāi)裂的金屬事故。
造成汽缸變形的主要原因如下：
（1）、運(yùn)行中汽缸壁內(nèi)外、法蘭內(nèi)外溫差較大，造成法蘭結(jié)合面漏氣；汽缸上、下溫差過(guò)大導(dǎo)致動(dòng)靜部分相摩擦或振動(dòng)；
（2）、汽缸去應(yīng)力退火不當(dāng)，或運(yùn)行中滿(mǎn)水、水擊等，都會(huì)引起變形；
（3）、汽缸在高溫下工作，各部分溫度不同，蠕變速度不一，從而引起變形。
造成汽缸開(kāi)裂的主要原因如下：
（1）、汽缸長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，出現(xiàn)蠕變，脆性增加；
（2）、冶金過(guò)程中鑄件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、白點(diǎn)、夾渣等，是造成蠕變裂紋和熱疲勞裂紋的根源；
（3）、熱處理不當(dāng)導(dǎo)致材料組織不均勻，而使持久強(qiáng)度和持久塑性下降；
（4）、長(zhǎng)期高溫運(yùn)行使汽缸材料組織發(fā)生變化；運(yùn)行中的低頻熱應(yīng)；力和蠕變的聯(lián)合作用更易出現(xiàn)裂紋。
對(duì)于出現(xiàn)裂紋的汽缸可采用徹底挖除裂紋并進(jìn)行補(bǔ)焊的方法加以消除。