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鍋爐用小口徑厚壁管內壁線性缺陷分析 木(mu)屑顆粒(li)機(ji)|秸(jie)稈(gan)顆粒(li)機(ji)|秸(jie)稈(gan)壓塊機(ji)|木(mu)屑制粒(li)機(ji)|生物質顆粒(li)機(ji)|富通新能源 / 14-01-11

    某電廠對正安裝的鍋爐水冷壁前墻上集箱在做管接頭與管屏焊口檢查時,發現小口徑厚壁管(d31. 8mm×8.5mm)焊口附近的管子內壁存在線性顯示。經進一步檢查分析,發現這種線性顯示是由沿縱向、斷續分布且深度多不超過0.2mm的直線狀缺陷所致。這種缺陷一經出現,立即引發了電力行業、鍋爐行業與鋼管制造業的廣泛關注與爭議,進行了不少的研討,并部分地與相關的管子失效現象相聯系,富通新能源生產銷售生物質鍋爐,生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機秸稈顆粒機壓制的生物質顆粒燃料。
    之所以引起了各業的廣泛關注,是由于各方對這種鋼管內壁直線狀缺陷性質以及危害性認識仍有所差異,其將給應用帶來什么影響還不十分明朗,雖然必然有所影響。
    資料認為,從低倍顯微形貌看,該缺陷在管子內表面開口,大多數缺陷沿內壁稍傾斜縫隙很細,且個別較寬,少數部分缺陷形狀較尖銳。其參照ASME標準中“破裂、裂縫、縫隙或裂隙”的分類法,建議稱為“類裂紋”,應進行嚴格限制;并建議從GB5310標準角度,對其加以限制。
    資料則認為,在現有標準中未對該缺陷進行適當的描述,既不屬裂紋類、也不是溝槽或直道,但形成機理卻與溝槽或直道相類似,根據其沿管子縱向線性分布特征,建議稱為“線性缺陷”;并從制管工藝、試驗角度和理論分析,因為管子制造工藝無法完全避免此種缺陷現象,可以適當允許,建議控制缺陷深度不超過0.2 mm。
    為了進一步討論,本文對電廠現場試樣、國內各廠家供貨類似規格鋼管進行了檢查,以了解該缺陷是個例還是具有普通性;結合制管工藝及坯料來源,對內壁缺陷的形成原因進行了探討;并通過對含該類缺陷鋼管進行了彎曲試驗、水壓爆破試驗以評估其危害性。
1、試樣檢查與分析
1.1電廠試樣檢測
    對其中一根電廠提供的管子試樣進行常規理化檢驗,化學成分、力學性能都符合標準要求;微觀金相檢驗時發現,組織雖無異常,但內壁存在縱向細小直線狀缺陷。
    為了確定該細小缺陷是否僅存在于這支鋼管內,故擴大了檢查力度。對取自于電廠不同批次的同材質同規格樣管各一段管環進行微觀檢測。
    觀察結果表明,每根樣管內壁都有細小的直線狀缺陷,深度多在0.2 mm以下,最深的一條為0. 22m,典型圖例示于圖l。
1.2原材料管子檢測
    為了考察小口徑厚壁管內壁縱向直線狀缺陷是普遍存在還是個例,以及缺陷尺寸,對不同廠家不同批次供貨的相似規格小口徑厚壁管進行了隨機檢查、微觀檢測及分析。主要涉及三家鋼管廠,分別簡稱為廠家A、B和C;廠家A和B采用軋坯,廠家C則采用水平連鑄管坯。
    檢查方法:從鋼管端部橫向截取環狀試樣,在光學顯微鏡下觀察內壁是否存在缺陷、并測量缺陷深度。結果表明檢查的三家廠家生產的小口徑厚壁管內壁普遍存在多條、深淺不一且呈不規則分布的缺陷,缺陷形貌也有所不同,具體形貌如圖2—4所示。就一根鋼管而言,橫截面上都存在不同深度缺陷,絕大部分深度都在0.2mm以下,試樣橫截面微觀形貌,有的缺陪較粗,有的較細,如圖3。
    對缺陷深度的檢查統計結果見表1,三家的鋼管最大內壁線性缺陷深度基本相當,廠家B的鋼管缺陷最深達到0.31 mm,但其內壁存在最深缺陷≥0.2 mm鋼管所占比例最小,而廠家C的鋼管比較嚴重,深度超過0.2 mm鋼管的數量較多。這可能與制管用坯料類型不同有關,因水平連鑄坯的致密性不及熱軋管坯、中心疏松及縮孔的比例要比軋坯嚴重,中心疏松和縮孔有可能促進內壁形成細小直線狀缺陷。
2、缺陷形成原因及性質分析
2.1缺陷成因分析
    通過對電廠樣管及原材料管的檢測分析,可知不同坯料的鋼管內壁都存在縱向直線狀缺陷,由此可以推斷坯料雖對缺陷產生有影響,但主要應歸因于制管工藝所致。
    結合鋼管的生產工藝,由于該類規格的小口徑厚壁管均采用多道冷拔成型(因為熱軋成型的小口徑厚壁鋼管內孔必然存在內六方或三角形現象),在拔制過程中,先采用帶內模拔制、再采用無內模空拔,只是不同的廠家在冷拔(及空拔)道次上有所不同。結合制管廠通過模擬生產過程進行的試驗研究,認為缺陷形成原因可能是在制管過程中多種因素的綜合作用,而不是單一因素引起的。
    如鋼管在穿管的過程中熱軋頂頭疲勞起皺引起的管坯內表面存在短而淺的劃痕或導致管坯內表面粗糙,在后續拔制的過程中,原管坯內壁存在的小凹坑不斷地進行收縮、延長,使其演變成了溝槽,且溝槽的寬度越來越小,特別是經過多道空拔工序,鋼管只受拔致力的拉伸和外膜的向內擠壓作用,而鋼管內壁沒有受到向外的擠壓作用,隨著金屬的流動,這些溝槽也迸一步向鋼管內部延伸變細,最后就形成了不可避免的縱向直線狀缺陷,見圖5a;而坯料內表面較光滑的,其成品管的內表面要好,見圖5b。另外,也可能是鋼管在有內模拔制的過程中,內模對鋼管內壁有損傷,在后續的空拔過程中,這些損傷不能得到有效的壓合和及控制,繼而形成了內壁縱向直線狀缺陷。
    更須值得注意的是,在冷拔工藝中所存在的這種缺陷,在熱軋管中也有出現,原因尚待進一步研究。
    因而,小口徑厚壁管內壁線性缺陷形成原因比較復雜,需要加以深入研究,同時應加強管坯質量控制,改進和完善制管工藝,從而使各生產廠家盡可能減輕小口徑厚壁鋼管內壁線性缺陷問題、排除鍋爐產品質量存在的安全隱患,促進產品質量的提高。
2.2缺陷性質分析
    由于缺陷的性質關系到缺陷的危害程度以及如何控制。因而需要對這種缺陷的性質加以考慮。
    從上面缺陷形成過程的分析可以看出,首先可以排除該缺陷為裂紋的可能;第二,由于該類缺陷在現有標準中沒有合適的類別,既不屬裂紋類,也不是溝槽或直道。
    若將其考慮為類裂紋,實際上不允許存在,由于其普遍存在于冷拔管甚至于熱軋管,則現行制管工藝本身的存在價值將受到嚴重置疑,同時目前運行的所有鍋爐機組都采用了冷拔工藝鋼管(包括相當數量的小口徑厚壁管),絕大多數機組是處于安全運行狀況說明了將其定為“類裂紋”而不允許并不是十分恰當。
    因而,本文認同資料的建議,由于其形成機理與溝槽或直道相類似,直線狀缺陷稱為“線性缺陷”是合適的。
3、缺陷危害性初步評估
    作為一種缺陷,對安全的危害性需要加以考慮。
    為了評估小口徑厚壁管管材內壁縱向細小線性缺陷的危害性,確定該類缺陷是否對鍋爐運行及壽命造成嚴重影響,通過對其進行彎管、水壓爆破試驗,考察細小線性缺陷的擴展情況,了解含缺陷管子的危害程度。
3.1彎管試驗
    選取15CrMoG鋼管,規格∮l.8mm×8.5 mm和∮I.8 mm x9 mm,且存在線性缺陷的鋼管進行彎管試驗,∮彎曲半徑為45 mm,彎曲角度為90°,之后進行解剖分析。
    對彎管直管段及最大彎曲處進行微觀分析,其直管段為管環橫截面,彎曲處位置為外弧面12點、中性面3點、9點、內弧面6點4處部位檢查。檢查結果:直管段缺陷最深處為0. 12 mm,見圖6;彎管處試樣內壁缺陷最深0. 11 mm,見圖7,跟直管段相比,彎管處缺陷在深度方向沒有擴展跡象,缺陷底部仍然圓鈍,說明這些管子內壁缺陷在彎管時不會向深度方向擴展。
3.2水壓爆破試驗
    為了評估內壁存在缺陷的鋼管是否具有足夠的強度以及承受內壓時缺陷是否會擴展,對電廠的試樣做更進一步試驗研究,采取水壓爆破試驗。為了使試驗更具有說服力,將其中兩段管子機加工成d25.2 mm×5.2mm,即加工后管子壁厚為設計允許的最小壁厚5.2 mm,另兩根試樣仍然為原始壁厚8.5mm。
    按照試驗要求,對試件進行了爆破試驗,由于設備能力的原因,4根試樣均沒有被打爆。4根樣管試驗最高壓力分別為:211 MPa、184 MPa、181MPa、170 MPa.保壓時間約3min。表2為4根試樣試驗前后管子的實際外徑和實際壁厚及試驗壓力表(檢測位置:壁厚在試樣中心部位沿圓周方向每相隔120。測量,共3點;外徑在管子兩端30 mm處及中心部位相互垂直的方向測量)。爆破試驗前后試樣的宏觀形貌見下圖8、圖9。
    由水壓爆破試驗后樣管的宏觀形貌和實測尺寸結果,顯示試件在爆破前和爆破后的外徑和壁厚變化很小,可知試件經爆破后基本上沒有發生塑性變形。
    對4根試樣在其中心部位分別取環狀樣,在金相顯微鏡下進行內壁線性缺陷觀察,管子在爆破試驗后內壁線性缺陷底部仍然圓鈍,所截取的試樣巾線性缺陷最深的為0. 20 mm.見圖Il,跟爆破試驗之前(見圖10)相比,缺陷沿徑向方向沒有擴展跡象,用向方向有明顯變寬現象
4、結語
    (1)小口徑厚壁管內壁縱向線性缺陷普遍存在,系制管過程中形成;而采用水平連鑄坯制出的鋼管,比用軋坯制鋼管的內壁線性缺陷更嚴重。
    (2)采用彎曲、水壓爆破試驗對小口徑厚壁管內壁線性缺陷危害性進行了初步評估,試驗表明這些線性缺陷對鋼管危害性較小。


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