火電廠非熱力系統壓力容器常見失效形式分析

閻光宗， 柯 浩， 代小號 ，馮硯廳

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

1 概述

火電廠涉及到的壓力容器較多，其中熱力系統壓力容器，如高、低壓加熱器，除氧器等，由于工作溫度高、承受壓力較大而在制造、安裝和檢驗等環節受到重視。而非熱力系統壓力容器，如空氣罐、氫罐等，由于工作壓力和工作溫度相對較低而在制造、安裝和檢驗等環節未得到足夠重視。近年來在火力發電廠壓力容器全面檢驗中發現較多非熱力系統壓力容器存在嚴重問題，以下對非熱力系統壓力容器幾種常見失效形式進行分析。

2 常見失效形式分析

2.1 空氣緩沖罐嚴重腐蝕、壁厚減薄

2.1.1 檢驗概況

某火電廠一單元空氣緩沖罐于1993年12月投運，設計壓力0.9 MPa，設計溫度50 ℃，介質為空氣，筒體內徑1 400 mm，公稱壁厚8 mm，材質16 MnR。2010年9月,依據TSG R7001-2004《壓力容器定期檢驗規則》對該空氣緩沖罐進行全面檢驗。在全面檢驗中，對該容器開罐進行宏觀檢查、超聲波測厚和磁粉檢驗，宏觀檢查發現該容器內壁腐蝕、氧化嚴重，個別部位腐蝕、氧化產物大面積脫落。對其內壁部分腐蝕嚴重部位進行打磨，見金屬光澤后進行超聲波測厚，所測各點筒體最小壁厚為4.80 mm。

依據GB 150-1998《鋼制壓力容器》內壓圓筒的強度計算公式：

式中：δ為圓筒的計算厚度，mm；Pc為計算壓力，MPa；Di為圓筒的內直徑，mm；[σ]t為設計溫度下圓筒材料的許用應力，MPa；φ為焊接接頭系數。

得到計算壁厚為4.37 mm。根據所測筒體最小壁厚計算得到筒體腐蝕量為3.2 mm，年平均腐蝕速率為0.19 mm。假設下次檢驗為3年后，剩余腐蝕裕量(0.43)已不能保證其安全運行至下一檢驗周期。

2.1.2 原因分析

a. 空氣在壓縮過程中產生較高的熱量，空氣中含有一定量的水分，在進入罐體后逐漸冷卻，由于溫差的變化，從而在罐體內表面凝結產生水珠，罐體內表面經常處于潮濕狀態。

b. 由于該儲氣緩沖罐在供氣系統中位于干燥器和除油器前，且壓縮空氣未進行凈化處理，因此該容器中介質(壓縮空氣)純凈度較差，在周圍環境腐蝕性介質濃度較高情況下，隨空氣帶入O2、CO2等腐蝕性介質。

c. 在使用過程中沒有按規定進行(定期排出凝液水)，使凝液水大量沉積在內部，在工況條件下，水分子呈霧態存在，加速了罐體的腐蝕。

2.1.3 防范措施

a. 在壓縮空氣儲罐進氣口加裝除濕設備。

b. 設計選用耐腐蝕的材料，如不銹鋼系列材料等。在內表面選用襯里材料，如在不銹鋼板襯里搪玻璃或噴漆防腐。

c. 在設備運行過程中應定期排放空氣儲罐內的凝液水。

d. 在對該類容器進行全面檢驗時，一定要開罐進入內部進行檢驗，以做到全面了解容器的安全狀況，保證其安全穩定運行。

2.2 空氣儲罐筒體裂紋

2.2.1 檢驗概況

某火電廠一單元干灰氣源總儲氣罐于2003年10月25日投運，設計壓力0.85 MPa，設計溫度150 ℃，介質為空氣，筒體內徑1 600 mm，公稱壁厚10 mm，材質Q235B。在對該容器進行全面檢驗時，經磁粉檢驗發現該容器入孔加強圈焊縫附近有缺陷磁痕顯示，且該缺陷由入孔加強圈沿筒體周向擴展，沿其擴展方向打磨后磁粉檢驗發現，此裂紋長度約為450 mm。

2.2.2 原因分析

該壓力容器屬于薄壁容器范疇，所謂薄壁容器是指外徑和內徑的比值為1．1～1．2的容器。薄壁容器的受力狀態，可以用薄膜理論又稱無力矩理論進行分析，即假定殼壁象薄膜一樣，只能承受拉應力和壓應力，不能承受彎矩和彎曲應力，拉應力和壓應力沿壁厚均勻分布。這種殼體中存在的應力稱薄膜應力。薄膜理論用來分析薄壁容器受力狀況的精度，進而滿足工程實際要求。按照薄膜理論，可以推導出圓柱殼即筒體的環向應力σ環和軸向應力σ軸分別為：

式中：p為設計壓力；D為容器筒體的中間直徑；δ為容器筒體的計算厚度。

由此可見，圓柱形筒體的環向應力是軸向應力的2倍。因此運行中產生的容器筒體裂紋多平行于筒體軸向。該裂紋即不在角焊縫的熔合線上，也不沿筒體軸向，而是在鋼板的環向延伸。因此，分析認為此裂紋與鋼板的原始軋制缺陷有關，為原始軋制缺陷或者材料原始缺陷在軋制過程中延長并擴展而成的裂紋。

2.2.3 防范措施

a. 在壓力容器制造過程中把好材料的驗收入庫關，壓力容器所用鋼板應為探傷鋼板，且需要有質量證明書。

b. 嚴格執行壓力容器監督檢驗，由有資質的監督檢驗單位對壓力容器的制造全過程進行安全性能監督檢驗。

c. 在全面檢驗中，表面無損探傷的檢驗重點應該包括容器內壁液面以下焊縫或角焊縫及水位線附近的焊縫，還應該包括容器外壁的疏水管座、人孔門、空氣管座、壓力表、安全閥管座等承受交變應力的管座。

2.3 空氣干燥器嚴重鼓包

2.3.1 檢驗概況

某電廠2臺空氣干燥器于2001年4月20日投運，設計壓力1 MPa，設計溫度300 ℃，介質為空氣，筒體規格為307 mm×9 mm×1 445 mm，材質20 g，內部裝有加熱裝置，壓縮空氣通過該空氣干燥器時達到干燥和升溫的效果，加熱系統采用溫度自動控制，即達到指定溫度后，空氣干燥器停止加熱。

對該空氣干燥器進行全面檢驗時，發現空氣干燥器A、B存在嚴重的鼓包現象，外表面存在明顯的高溫氧化腐蝕，空氣干燥器A外形已變形，形狀如同紡錘，鼓包十分嚴重；鼓包最嚴重處直徑為368 mm，比原始直徑(φ307 mm)漲粗61 mm，脹粗量19.87%，鼓包處外表面存在嚴重的高溫氧化腐蝕現象，氧化皮脫落嚴重，并且壁厚減薄，鼓包處壁厚僅為7.40 mm。空氣干燥器B同樣存在鼓包現象，但是程度稍輕。鼓包最嚴重處直徑為345 mm，比原始直徑(φ307 mm)漲粗38 mm，脹粗量12.38%，鼓包處壁厚最小8.10 mm。

2.3.2 原因分析

2.3.2.1 金相分析

對空氣干燥器A取樣進行金相組織檢查，分別在鼓包與未鼓包部位進行取樣，金相組織均為鐵素體+珠光體，鼓包部位珠光體比未鼓包部位珠光體明顯減少，鼓包部位碳化物已經分散，珠光體區域較少，表明該組織已發生劣化。

2.3.2.2 力學性能分析

對空氣干燥器A取樣進行室溫機械性能試驗，分別在鼓包與未鼓包部位進行取樣，試驗結果見表1。鼓包處材料抗拉強度、屈服強度明顯低于未鼓包處，并且低于GB 713-2008《鍋爐壓力容器用鋼板》標準要求。

2.3.2.3 運行情況分析

根據以上分析，空氣干燥器發生鼓包的根本原因為超溫運行，通過對現場使用狀況的了解，發現該空氣干燥器在使用中控溫系統及溫度測點的布置存

表1 力學性能試驗結果

在問題，致使空氣干燥器超溫。由于運行狀態時該容器包有保溫材料，在巡檢和年度檢查時未發現容器的超溫現象，致使該加熱器運行長達7年后材質劣化，產生鼓包，嚴重影響運行安全。

2.3.3 防范措施

a. 對于空氣干燥器類的壓力容器應嚴格控制其溫度操作范圍，并加強對溫控系統的檢查。

b. 對于火電廠非熱力系統壓力容器要加強日常運行過程中的巡檢和年度檢查工作力度。

c. 因為未按規程要求及時進行全面檢驗，該空氣干燥器超溫運行長達7年而沒有被發現，因此壓力容器應按規程要求定期進行全面檢驗，不能進入容器內部進行檢驗的容器應剝除容器外表面的全部保溫材料，以防止鼓包、腐蝕、減薄類缺陷的漏檢。

3 建議

通過分析上述幾種非熱力系統壓力容器的失效形式，可以看到，雖然非熱力系統壓力容器工作溫度、工作壓力相對較低，但是在實際運行中，由于對其的重視程度不夠會出現嚴重問題。針對以上問題，提出以下幾點建議。

a. 在制造過程中對非熱力系統壓力容器給予足夠重視，從原材料入廠到產品出廠嚴把質量關，確保投入生產運行的容器的安全性能。

b. 在壓力容器運行中，加強對非熱力系統壓力容器日常的巡檢和年度檢查工作力度，重視壓力表、溫度計、安全閥等安全附件及控制設備的日常維護和定期校驗。

c. 在進行壓力容器全面檢驗時，應正確進行宏觀檢查。宏觀檢查主要是檢查外觀，但外觀檢查并非外部檢查，既需要檢查容器的外部，也需要檢查容器的內部。由于壓力容器內壁的應力水平通常高于外壁，且與介質直接接觸，因此進入容器內部檢查必不可少。對于無法或者很難進入內部進行宏觀檢查的壓力容器，建議去除全部保溫材料，再進行容器宏觀檢查。