余熱鍋爐再熱噴水減溫器斷裂失效分析

王　松，何淑芬，宋永平，谷樹超，李　炅

(1. 上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海　200090；2.上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海　201306)

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余熱鍋爐再熱噴水減溫器斷裂失效分析

王松1，何淑芬1，宋永平2，谷樹超1，李炅1

(1. 上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海200090；2.上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海201306)

摘要：通過對某電廠余熱鍋爐再熱噴水減溫器斷裂件的失效分析，認(rèn)為懸臂梁結(jié)構(gòu)的減溫器在減溫水投運(yùn)過程中，部件會承受熱應(yīng)力及再熱蒸汽的沖刷，長期運(yùn)行在應(yīng)力集中部位導(dǎo)致疲勞斷裂。建議優(yōu)化減溫器結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)監(jiān)督檢查，保障鍋爐的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：余熱鍋爐；減溫器；疲勞失效

再熱減溫器作為再熱汽溫調(diào)節(jié)必不可少的輔助調(diào)溫手段，對燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行起到非常重要的作用，但其運(yùn)行工況比較惡劣，既要承受高溫再熱蒸汽的沖刷，又要承受噴水的急冷，對其長期安全的運(yùn)行提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。本文就某電廠余熱鍋爐再熱噴水減溫器失效的原因進(jìn)行分析，并對其提出改進(jìn)的建議。

1材料及使用工況

再熱噴水減溫器管材料為SA213-T22，由法蘭、噴水管和套管組成，減溫水蒸汽溫度為180℃，再熱蒸汽溫度為560℃，壓力為8.8 MPa，減溫水噴射方向和蒸汽流動方向均垂直向上，如圖1所示，斷裂發(fā)生在噴水管和套管的角焊縫處。

圖1　再熱噴水減溫器

2斷口形貌分析

對斷口進(jìn)行清洗如圖2所示，斷裂發(fā)生在噴管細(xì)管與套管的搭接角焊縫區(qū)域，斷面呈圓環(huán)形，沿著焊趾分布，斷面形狀比較平整，斷口表面區(qū)域近外表面有多個小臺階，表明為多源啟動的疲勞斷裂，斷裂從外表面焊趾處起始向內(nèi)表面擴(kuò)展；斷口左上方特征比較粗糙，有撕裂的痕跡，呈現(xiàn)終斷形態(tài)，而且圖2中A處存在疲勞裂紋擴(kuò)展的跡象[2-3]。

圖2　減溫器斷裂宏觀形貌

圖2斷口的左邊焊縫與套管的熔合線B處發(fā)現(xiàn)裂紋的存在，裂紋沿著焊趾分布，近尾端向焊縫內(nèi)擴(kuò)展(見圖3)。從裂紋發(fā)生的位置及擴(kuò)展走向來看，此裂紋更多是因拘束熱應(yīng)力造成的。細(xì)管內(nèi)為溫度較低的冷介質(zhì)，而套管為高溫部件，因此在噴水運(yùn)行過程中，細(xì)管因冷卻收縮在焊縫焊趾處產(chǎn)生緊縮應(yīng)力，再附加焊趾處的應(yīng)力集中效應(yīng)，致使此處誘發(fā)裂紋，而裂紋、未焊透等缺陷的存在會大大降低疲勞強(qiáng)度[4]。

圖3　B處焊趾裂紋

對斷口的下方區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡分析，圖4上側(cè)為管外壁，斷面的表層區(qū)域內(nèi)存在多個疲勞啟動臺階，符合多源啟動的特征，斷面在內(nèi)表面區(qū)域比較平滑，且存在橫向的擴(kuò)展條紋，與斷面的斷裂方向成垂直關(guān)系。斷口下方中間區(qū)域形貌如圖5所示，呈現(xiàn)明顯的準(zhǔn)解理形貌，并有疲勞條紋的存在，但是由于氧化腐蝕等原因，疲勞條紋有點模糊不清。

表1　相關(guān)元素分析　wt%

圖4　斷口下方形貌

圖5　斷口下方中間區(qū)域形貌

3化學(xué)成分和組織分析

取樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果如表1所示，相關(guān)元素的含量符合ASTM-SA213中對T22的要求。

斷面近焊縫表面起始區(qū)域組織分布形貌見圖 6所示，圖左側(cè)為焊縫表面，表面有氧化現(xiàn)象。圖右側(cè)為斷面，斷面較平整，可見斷裂起始于熔合線熱影響區(qū)。斷面表面區(qū)域組織為貝氏體+鐵素體，焊縫組織為貝氏體+鐵素體。

對斷裂噴管另一側(cè)進(jìn)行室溫拉伸試驗，1號管常溫力學(xué)性能基本滿足ASME SA213對T22鋼的要求[5]，但其中屈服強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限。常溫力學(xué)性能如表2所示。

圖6　斷口剖面組織表面形貌

序號樣品編號Rp0.2/MPaRm/MPaA/%11號管-120445532.521號管-220046331.531號管-320146231.0《ASMESA213》T22鋼≥205≥415≥22

4斷裂機(jī)理分析

通過對再熱噴水減溫器的斷口和組織分析，該處部件的失效機(jī)理為多源啟動的疲勞斷裂。噴管噴嘴端較大且為自由端，焊接區(qū)域為長桿(管)的懸臂梁的支點，在運(yùn)行中，會承受自重、蒸汽的沖刷和減溫水投運(yùn)時產(chǎn)生的反作用力，且該燃機(jī)機(jī)組參與調(diào)峰啟停次數(shù)較為頻繁，使得再熱蒸汽量和減溫水量變化較大，對應(yīng)的載荷也會隨之變化；桿端貫量在焊接區(qū)(支點)形成很大的彎矩，且在焊趾陡角(支點)處因應(yīng)力集中產(chǎn)生附加應(yīng)力，致使發(fā)生多源啟動的疲勞開裂。另一方面，噴管投運(yùn)噴水過程中在焊趾處產(chǎn)生的拘束熱應(yīng)力也對此處的開裂有一定的貢獻(xiàn)作用[6]。

5結(jié)語

(1)再熱噴水減溫管屬于簡單的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在流動介質(zhì)環(huán)境中工作易產(chǎn)生振動而在局部應(yīng)力較大處(套管和噴管搭接的角焊縫處)形成疲勞裂紋，裂紋從外壁向內(nèi)壁發(fā)展，最終導(dǎo)致失效斷裂。

(2)套管和噴管搭接的角焊縫處存在應(yīng)力集中效應(yīng)，并且由于減溫水和再熱蒸汽溫差大，噴管和套管之間存在熱應(yīng)力，容易產(chǎn)生熱疲勞開裂，已在斷口角焊縫的另一側(cè)焊趾處發(fā)現(xiàn)裂紋。

(3)減溫器管材質(zhì)為SA213-T22，常溫拉伸性能結(jié)果來看，試樣的屈服強(qiáng)度較低。

(4)建議優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用更為合理的結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免容易引起應(yīng)力集中的連接形式和焊接缺陷；確認(rèn)噴管結(jié)構(gòu)的材質(zhì)設(shè)計及其供貨條件，材質(zhì)不良或熱處理不當(dāng)會降低材料的強(qiáng)度和疲勞抗力；此外，應(yīng)加強(qiáng)對減溫器噴管的日常監(jiān)督和檢查，從而減少類似事故的發(fā)生，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性[7]。

參考文獻(xiàn)：

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YIN Xia,ZHENG Jian-fei,HE Ben-shou.Reheat-er spray desuperheater crack analysis and str-uctural Improvements[J]. Boiler Technology,2013,44(3):61-63.

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[6]劉峰，嚴(yán)愷平. 600 MW機(jī)組鍋爐減溫器斷裂原因分析及改進(jìn)措施[J].熱力發(fā)電，2007(5)：87-88.

LIU Feng,YAN Kai-ping.Cause analysis of desuperheater fracture for boiler of 600 MW unit[J].Thermal Power Generation, 2007(5):87-88.

[7]DL/T 438-2009.火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程[S]. 北京：中國電力出版社，2009.

(本文編輯：嚴(yán)加)

Analysis of Spray Water Pipe Rupture of Reheating Desuperheater of Waste Heater Boiler

WANG Song1, HE Shu-fen1, SONG Yong-ping2, GU Shu-chao1, LI Jiong1

(1. Shanghai Minghua Power Technology Engineering Co., Ltd., Shanghai 200090, China;2. Shanghai Shenergy Lingang Gas Turbine Power Generation Co., Ltd., Shanghai 201306, China)

Abstract:The cause of spray water pipe rupture of reheating desuperheater of waste heater boiler was analyzed in this paper. It is believed that as a cantilever structure when the desuperheating water is put into operation, the spray pipe will bear thermal stress and reaction forces caused by reheat steam; then fatigue fracture will occur in the area of stress concentration under long-time running. Optimization of the structure of reheating desuperheater is proposed, and supervision and inspection should be strengthen to ensure the boiler safe operation.

Key words:waste heater boiler; desuperheater; fatigue fracture

DOI：10.11973/dlyny201602022

作者簡介：王松(1986)，男，碩士，工程師，主要從事電站金屬部件檢測及失效分析工作。

中圖分類號：TK223.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)02-0247-03

收稿日期：2016-01-18