電站鍋爐屏式再熱器管失效分析*

張偉妮

(山西大唐國(guó)際運(yùn)城發(fā)電有限責(zé)任公司， 山西運(yùn)城 044602)

再熱器管作為電站鍋爐四管之一，具有提高熱力循環(huán)的熱效率，提高汽輪機(jī)排汽的干度，降低汽耗，減小蒸汽中的水分對(duì)汽輪機(jī)末幾級(jí)葉片的侵蝕，進(jìn)一步吸收鍋爐煙氣熱量，降低排煙溫度等作用，但再熱器一旦爆管將對(duì)電廠造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此對(duì)已經(jīng)失效的再熱器管用科學(xué)的方法找到失效原因，然后采取預(yù)防措施，將有利于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行[1]。

筆者通過(guò)宏觀分析、厚度及焊縫幾何尺寸檢測(cè)、室溫力學(xué)性能試驗(yàn)、金相組織分析等方式，對(duì)某電廠屏式再熱器管進(jìn)行爆管原因分析，對(duì)不合理的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)同部位其他管件加強(qiáng)檢查(金相檢驗(yàn)確定管件老化等級(jí)等)，達(dá)到減少或者避免再熱器爆管對(duì)機(jī)組造成重大經(jīng)濟(jì)損失的事故出現(xiàn)。

1 機(jī)組概況

某電廠2號(hào)機(jī)組為600 MW亞臨界機(jī)組，2006年投入運(yùn)行，至今已累計(jì)運(yùn)行約6萬(wàn)h，鍋爐屏式再熱器發(fā)生泄漏，泄漏管樣為屏式再熱器右數(shù)第21屏夾屏彎管和右數(shù)第9屏內(nèi)1彎管，兩根管樣對(duì)接焊縫兩側(cè)厚度不同。為了查找開(kāi)裂原因，對(duì)2號(hào)鍋爐屏式再熱器開(kāi)裂管樣進(jìn)行失效分析。

2 試驗(yàn)方案

針對(duì)失效管樣開(kāi)展了宏觀分析、厚度及焊縫幾何尺寸檢測(cè)、室溫力學(xué)性能試驗(yàn)、顯微組織分析、掃描電鏡分析等相關(guān)項(xiàng)目，并根據(jù)分析結(jié)論提出相關(guān)建議。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 屏式再熱器管基本概況

查屏式再熱器管相關(guān)資料及運(yùn)行工況條件：該管樣材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為d=63 mm、δ=7 mm和d=63 mm、δ=4 mm，管壁運(yùn)行溫度為459～468 ℃，允許管壁溫度為580 ℃，說(shuō)明管樣運(yùn)行溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于允許溫度，不存在超溫引起管樣失效的可能。

查屏式再熱器管樣使用前無(wú)損和理化檢驗(yàn)抽檢報(bào)告，該批次管子外觀無(wú)明顯劃痕或其他加工缺陷，且檢測(cè)結(jié)果合格。觀察失效管樣，也沒(méi)有明顯外觀缺陷。該管樣在鍋爐受熱面由管卡固定，幾乎不存在振動(dòng)及碰摩情況。

3.2 爆口宏觀檢查

對(duì)1號(hào)爆管進(jìn)行宏觀檢查，爆口開(kāi)裂于薄壁管(4 mm壁厚)側(cè)并沿焊縫熱影響區(qū)發(fā)展，見(jiàn)圖1。爆口最大寬度約3 mm，裂縫長(zhǎng)度約45 mm，爆口兩端平整，未見(jiàn)明顯塑性變形，爆口附近未見(jiàn)明顯減薄。原始爆口附近為吹損減薄形成的二次縱向爆口，爆口內(nèi)壁、外壁檢查存在輕微氧化現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。管子內(nèi)壁焊接接頭處厚壁管與薄壁管呈錐形平緩過(guò)渡，未見(jiàn)過(guò)渡臺(tái)階。

圖1 1號(hào)爆管宏觀形貌

圖2 1號(hào)爆管爆口宏觀特征

對(duì)2號(hào)爆管進(jìn)行宏觀檢查，裂紋位于厚壁管(7 mm壁厚)側(cè)、距離焊縫邊緣約10 mm，沿管子環(huán)向延伸發(fā)展，見(jiàn)圖3。原始爆口最大寬度約3 mm，裂縫長(zhǎng)度約50 mm，爆口兩端平整，未見(jiàn)明顯塑形變形，爆口附近未見(jiàn)明顯減薄。管子上存在吹損減薄形成的二次縱向爆口。沿管內(nèi)縱向觀察，焊縫旁邊厚壁管子存在變徑臺(tái)階，變徑臺(tái)階根部附著有黃褐色腐蝕產(chǎn)物，爆口裂紋沿臺(tái)階根部環(huán)向發(fā)展[2]，見(jiàn)圖4。

圖3 2號(hào)爆管宏觀形貌

圖4 2號(hào)爆管爆口內(nèi)部特征

3.3 厚度及焊縫幾何尺寸測(cè)量

對(duì)1號(hào)爆管爆口附近管子進(jìn)行超聲波測(cè)厚，爆口附近的測(cè)厚數(shù)據(jù)分布見(jiàn)圖5，爆口周邊最小壁厚3.88 mm，壁厚減薄不明顯，排除磨損和吹損爆管的可能。

圖5 1號(hào)爆管壁厚測(cè)量

依據(jù)DL/T 869—2012 《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》要求，工作壓力小于9.81 MPa的鍋爐受熱面管子焊接接頭屬于Ⅱ類焊接接頭，焊縫外觀檢查要求焊縫余高小于3 mm，但此處實(shí)際余高測(cè)量值為3.12 mm，高于標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)圖6)。焊縫余高過(guò)高導(dǎo)致焊縫處應(yīng)力集中。

圖6 1號(hào)爆管焊接外觀質(zhì)量

對(duì)1號(hào)爆管解剖后觀察，管子內(nèi)壁焊縫兩側(cè)不同厚度管子均勻?qū)?，無(wú)變徑臺(tái)階，焊接接頭尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)圖7)。

圖7 1號(hào)爆管焊縫宏觀尺寸

對(duì)2號(hào)爆管爆口附近進(jìn)行超聲波測(cè)厚，發(fā)現(xiàn)爆口附近的壁厚減薄不明顯，排除磨損和吹損爆管的可能。檢查焊接外觀質(zhì)量符合要求。對(duì)2號(hào)管子解剖后觀察，焊接接頭變徑臺(tái)階角度為45°，見(jiàn)圖8。

圖8 2號(hào)爆管焊接接頭對(duì)口形貌

DL/T 869—2012要求：焊件對(duì)口時(shí)，外壁(或表面)尺寸不相等而內(nèi)壁(或根部)齊平時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)圖9所示對(duì)口處理方法進(jìn)行焊接。圖9中變徑臺(tái)階角度為15°，保證了變徑處平緩過(guò)渡，減小了此處應(yīng)力集中。由此可見(jiàn)，該2號(hào)爆管焊接接頭對(duì)口尺寸不合格。45°變徑臺(tái)階，既造成了此處應(yīng)力集中，也使臺(tái)階根部易沉積腐蝕產(chǎn)物。

圖9 對(duì)口尺寸要求

3.4 室溫力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)1號(hào)、2號(hào)管樣分別選取兩處直管段部位制取原厚度力學(xué)性能試樣進(jìn)行室溫力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合GB 5310—2008 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 室溫力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.5 顯微組織分析

對(duì)1號(hào)、2號(hào)爆管管樣分別選取爆口邊緣、焊縫和兩側(cè)母材于金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察。

3.5.1 1號(hào)爆管

7 mm壁厚管子母材及焊縫熱影響區(qū)金相組織均為鐵素體+碳化物，鐵素體晶界、晶內(nèi)彌散分布著碳化物，管子母材晶粒大小基本均勻，晶粒度5～6級(jí)，珠光體已全部分解，珠光體球化4級(jí)，組織完全球化，見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 1號(hào)爆管7 mm壁厚管子母材金相組織

圖11 1號(hào)爆管7 mm壁厚管子側(cè)焊縫熱影響區(qū)金相組織

4 mm壁厚管子母材金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒大小均勻，晶粒度約6級(jí)，珠光體形態(tài)清晰，珠光體球化2～3級(jí)，金相組織未見(jiàn)異常，見(jiàn)圖12。1號(hào)管樣焊縫金相組織為鐵素體+貝氏體，金相組織未見(jiàn)異常，見(jiàn)圖13。

圖12 1號(hào)爆管4 mm壁厚管子母材顯微組織

圖13 1號(hào)爆管管樣焊縫顯微組織

3.5.2 2號(hào)爆管

7 mm壁厚管子母材金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體呈聚集形態(tài)，形態(tài)完整、清晰，晶粒大小基本均勻，晶粒度5～6級(jí)，珠光體球化約2級(jí)，金相組織未見(jiàn)異常，見(jiàn)圖14、圖15。

圖14 2號(hào)爆管7 mm壁厚管子母材金相組織

圖15 2號(hào)爆管7 mm壁厚管子裂紋處金相組織

4 mm壁厚管子母材金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒大小基本均勻，晶粒度7～8級(jí)，珠光體球化約2級(jí)，金相組織未見(jiàn)異常，見(jiàn)圖16。2號(hào)管樣焊縫金相組織為鐵素體+貝氏體，金相組織未見(jiàn)異常，見(jiàn)圖17。

圖16 2號(hào)爆管4 mm壁厚管子母材金相組織

圖17 2號(hào)爆管管樣焊縫金相組織

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

(1) 焊縫和母材組織嚴(yán)重老化及焊縫尺寸不合格為爆管的主要原因。

(2) 大角度變徑造成應(yīng)力集中，使臺(tái)階根部易沉積腐蝕產(chǎn)物，應(yīng)力集中區(qū)在內(nèi)應(yīng)力和殘余應(yīng)力等綜合應(yīng)力的作用下率先開(kāi)裂，腐蝕產(chǎn)物加速裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致此處泄漏爆管。