蔡文河---超(超)临界机组厚壁金属部件脆性断裂敏感性分析

超（超）临界机组厚壁金属部件脆性断裂敏感性分析华北电力科学研究院蔡文河一、问题的提出超超临界机组主要变化1、参数变化2、材料变化3、运行方式变化4、结构变化、尺寸变化—壁厚5、监督方式变化二、脆断案例1、某厂承重结构钢板在安装阶段发生断裂：其材料：Q345B钢板厚度：90mm钢板断裂时已经承载，断口裂纹源指向钢板上部的角焊缝处。二、脆断案例二、脆断案例2、某厂压力容器在钢板卷制过程中出现脆性断裂。其材料：16MnR，板厚：105mm其裂纹源位于卷板外壁，断口呈现金属光泽。二、脆断案例3、某厂高温高压管道在试运时发生爆破。材料：P91规格：Φ408×40其断口表面平直，裂纹源指向清晰，由部件内壁扩展，扩展人字纹延伸至部件外壁，最后断裂撕裂面积极小。三、影响脆性断裂的因素1、缺口效应：应力集中，三向拉应力，局部应变速度；2、材料本身的韧性：夹杂，偏析，脆性相；3、温度：脆性转变温度；4、变形速度：速率高增加脆性；5、零件尺寸：冶金不均匀，三向拉应力；6、应力状态：残余应力四、金属部件壁厚变化GB50017-2003《钢结构设计规范》规定，圆管(冷加工成型)的厚度不宜大于25mm。故管材的壁厚类别可大致可分为：薄壁管:壁厚S≤6mm；中等壁厚管:壁厚S=8mm～28mm；厚壁管：厚壁S≥30mm。四、金属部件壁厚变化部件600MW机组mm1000MW机组mm1主蒸汽Ф434×39.5Ф537×782再热Ф796×38Ф840×453省煤器Ф50.8×5.08Ф57×84水冷壁Ф63.5×6.58Ф38.1×7.5、Ф28.6×5.95过热器Ф44.45×5.08Ф45×5.6～8.86再热器Ф57.15×3.81Ф50.8×47屏过Ф245×50Ф457×878大板梁90140五、案例分析1、宏观形貌从这几起断裂事故中可知，部件均为厚壁件，断口表面平直，扩展人字纹清晰，最后断裂撕裂面积极小，断裂方式均为瞬时失稳扩展的脆性断裂。五、案例分析2、力学性能P91硬度值HB210左右试样名称冲击功A（J）P91≥18616MnR≥100Q345B≥≥36五、案例分析3、微观特征五、案例分析4、微观组织承重钢板的基体组织为铁素体和珠光体；容器的基体组织为铁素体和珠光体；管道的基体组织为回火马氏体；均属正常组织。五、案例分析5、综合分析从上述数据可知，三种材料的韧性均处于较佳的状态，应该不会发生脆性断裂事故。从工程设计上讲，冲击功大于27J均能满足不发生脆断的要求。但实际情况是这三种材料均是脆性断裂。五、案例分析Q345B钢板的微裂纹是由于在T型接头焊接后进行补焊，使焊缝热影响区存在的焊接冷裂纹造成的。五、案例分析16MnR钢板的微裂纹是由于在钢板表面进行补焊造成的，由于焊接工艺不当，使补焊区与基材硬度差较大（基材硬度为179HV，补焊区硬度为253.5HV），造成应力集中，因而在卷板的过程中，沿热影响区开裂，而成为裂纹源。五、案例分析五、案例分析P91管的微裂纹是由于制造过程中，“钢管内壁处存在着小裂纹和裹有夹渣缺陷，形成较大的应力集中。其结果，导致宏观裂纹萌生，成为爆裂源。”（参考文献1）六、断裂力学的解释其断裂机理是开口型缺陷附近的三向应力状态为材料产生脆性断裂提供了条件。六、断裂力学的解释断裂韧性KIC反映了材料本身抵抗裂纹失稳扩展的能力。它材料本身固有的属性，与外力、裂纹的形状、部件的集合尺寸无关。当部件的应力强度因子KI小于KIC时，部件不会发生裂纹失稳扩展脆性断裂现象。当部件厚度越大，部件表面裂纹尖端的应力状态会从平面应力状态趋于转向平面应变状态，因此，在平面应变的应力条件下，裂纹尖端的拘束度就会越大，使KI趋于接近KIC，也就越容易发生脆性断裂。aa七、结论超(超)临界机组金属部件壁厚的增加，增加了金属部件的脆性开裂敏感性；如果存在微观或宏观缺陷，使得金属部件的开口型缺陷尖端区域的受到的形变拘束度也随之增加，其三向拉应力状态更加敏感，更容易造成脆性断裂；超超临界机组的金属部件对缺陷的尺寸要求更小。七、结论由于超(超)临界机组厚壁部件对裂纹的敏感性提高了，在制造、安装、服役过程中，要加强对金属部件的制造质量、焊接质量和由于结构变化带来的应力变化进行有效的监督和检查，一旦发现缺陷就要彻底消除，以减少因厚壁部件对脆性断裂敏感性高的倾向。谢谢