某超臨界機組鍋爐末級過熱器鋼管泄漏原因分析

方振邦, 陳學進2, 王若民, 陳國宏

(1. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司 電力科學研究院， 合肥 230601； 2. 國投宣城發(fā)電有限責任公司， 宣城 242052)

某電廠660 MW機組鍋爐為超臨界變壓直流鍋爐(型號為HG-2000/26.15-YM3VV)，鍋爐采用可以平衡通風的露天懸吊兀型鋼結構和墻式切圓燃燒方式，裝配了直流濃淡煤粉燃燒器和單爐膛，爐膛設有內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁和帶再循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)。鍋爐在累計運行168 d(天)后，2017年12月20日、2018年2月17日、3月7日其末級過熱器鋼管彎頭處先后發(fā)生3次泄漏。該未級過熱器鋼管材料為S30432鋼，規(guī)格為φ51 mm×9 mm，彎曲半徑為200 mm。為查明該未級過熱器鋼管發(fā)生泄漏的原因，筆者對后兩次發(fā)生泄漏的鋼管進行了理化檢驗及分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查

該末級過熱器共有56排管屏，每排管屏由15根鋼管組成，管屏間距為333.75 mm，出口壓力為26.15 MPa,出口溫度為605 ℃。2018年2月17日鋼管發(fā)生泄漏的位置為末級過熱器左數(shù)第12排、自外圈數(shù)第12圈鋼管(編號為12-12號)前彎頭處，2018年3月7日鋼管發(fā)生泄漏的位置為末級過熱器左數(shù)第26排、自外圈數(shù)第13圈鋼管(編號為26-13號)前彎頭處。發(fā)生泄漏的鋼管宏觀形貌如圖1所示，可見兩個泄漏鋼管的宏觀形貌相似，其爆口均位于前彎頭最大彎曲半徑的外弧面，呈厚唇狀并沿管段縱向開裂，爆口邊緣鈍化且無明顯塑性變形，壁厚無明顯減薄，為脆性爆口。對泄露鋼管的爆口及爆口兩側(cè)距離爆口200 mm處進行壁厚檢查發(fā)現(xiàn)，除爆口處因開裂變粗外，鋼管其他部位均無明顯脹粗現(xiàn)象。

圖1 泄漏鋼管的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of leaking steel pipes: a) No.12-12 steel pipe; b) No.26-13 steel pipe

1.2 化學成分分析

在12-12號和26-13號鋼管取樣，采用SPECTRO TEST型全定量光譜儀對試樣進行化學成分分析，結果見表1。可見泄漏管段的化學成分均符合ASME SA-213/SA-213M(2015)《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》對S30432鋼的成分要求。

表1 泄漏鋼管的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of leaking steel pipes (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

分別在12-12號和26-13號鋼管的爆口邊緣外壁、爆口邊緣內(nèi)壁、距爆口200 mm外壁處(遠離爆口處的直管段)取樣，試樣經(jīng)打磨、拋光后，采用FeCl3鹽酸水溶液(5 g FeCl3+50 mL HCl+100 mL H2O)浸蝕，使用Carl Zeiss Axio Observer型金相顯微鏡進行觀察。由圖2可見，鋼管爆口邊緣外壁顯微組織均為奧氏體，晶界上分布有大量碳化物[1]及大量孔洞和裂紋，晶內(nèi)存在大量變形帶和孿晶。由圖3可見，鋼管爆口邊緣內(nèi)壁顯微組織為奧氏體，晶界上分布有碳化物[1]。由圖4可見，鋼管距爆口200 mm外壁處顯微組織為奧氏體，晶界上分布有碳化物，晶內(nèi)存在孿晶。根據(jù)DL/T 1422-2015《18Cr-8Ni系列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評級標準》，可判斷爆口處顯微組織的老化級別為5級(完全老化)，遠離爆口處顯微組織的老化級別為3級(中度老化)。

圖2 爆口邊緣外壁的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of outer wall of burst edge： a) No.12-12 steel pipe; b) No.26-13 steel pipe

圖3 爆口邊緣內(nèi)壁的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of inner wall of burst edge： a) No.12-12 steel pipe; b) No.26-13 steel pipe

圖4 不同鋼管距爆口200 mm外壁的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology at 200 mm from the burst outer wall of different steel pipes： a) No.12-12 steel pipe; b) No.26-13 steel pipe

1.4 掃描電鏡及能譜分析

在26-13號鋼管爆口邊緣取樣，采用Carl-Zeiss型掃描電鏡(SEM)對試樣進行觀察。由圖5可見，爆口邊緣外壁存在眾多與爆口方向一致的微裂紋，微裂紋由鋼管外壁向內(nèi)壁方向沿晶擴展，晶內(nèi)存在變形帶和孿晶，且晶粒內(nèi)的變形帶方向不同，部分晶粒內(nèi)不存在變形帶，推測這是應力松弛導致。由圖6可見爆口邊緣內(nèi)壁無裂紋、變形帶和孿晶。綜上可見，彎管各部位變形不均勻，外壁比內(nèi)壁變形更大。

圖5 26-13號鋼管爆口邊緣外壁的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of outer wall of burst edge of No.26-13 steel pipe

圖6 26-13號鋼管爆口邊緣內(nèi)壁的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of inner wall of burst edge of No.26-13 steel pipe

使用上述掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對26-13號鋼管試樣進行微區(qū)成分分析，分析位置及分析結果如圖7和圖8所示。可見爆口邊緣外壁晶界處有大量的碳元素，爆口邊緣外壁晶界處的鉻元素含量比爆口邊緣外壁處的要低，這表明大量粗化的碳化物在爆口邊緣外壁晶界處析出造成晶界附近產(chǎn)生貧鉻區(qū)，晶界處嚴重弱化[2]；爆口邊緣外壁處的元素含量與26-13號鋼管的化學成分接近,該部位的元素含量正常。

圖7 26-13號鋼管爆口邊緣外壁晶界處 EDS分析位置和EDS分析結果Fig.7 a) EDS anlaysis position and b) EDS analysis results of outer wall grain boundary of No. 26-13 steel pipe

圖8 26-13號鋼管爆口邊緣外壁處EDS分析位置和EDS分析結果Fig.8 a) EDS analysis position and b) EDS analysis results of outer wall of No. 26-13 steel pipe

1.5 力學性能試驗

在距26-13號鋼管爆口200 mm外壁處截取拉伸試樣，采用CMT5105型萬能材料試驗機對試樣進行拉伸試驗，結果如表2所示。可見距26-13號鋼管爆口200 mm外壁處的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率符合ASME SA-213/SA-213M(2015)的技術要求。對26-13號鋼管的爆口邊緣外壁表面、爆口邊緣內(nèi)壁表面和距爆口200 mm外壁表面采用HBE-3000A型布氏硬度計進行硬度測試，硬度分別為184，216，218 HBW，均符合ASME SA-213/SA-213M(2015)中硬度不大于219 HBW的技術要求。

表2 距26-13號鋼管爆口200 mm外壁處試樣的拉伸試驗結果Tab.2 Tensile test results of specimen at 200 mm from the burst outer wall of No.26-13 steel pipe

2 分析與討論

由上述理化檢驗結果可知，發(fā)生泄漏的未級過熱器鋼管的化學成分、力學性能均符合相關標準要求。由金相檢驗結果可知，鋼管爆口處顯微組織的劣化程度高于遠離爆口管段的。

由宏觀檢查結果可知，兩次發(fā)生泄漏的鋼管宏觀形貌相似，均發(fā)生在鋼管前彎頭處，爆口處無明顯塑性變形，鋼管其他部位無明顯脹粗及磕碰、敲擊等外部損傷現(xiàn)象，這表明鋼管不具備短時超溫爆管和外力破壞的宏觀特征。

由掃描電鏡和能譜分析結果可知，爆口邊緣外壁裂紋由鋼管外壁向內(nèi)壁方向沿晶擴展，爆口邊緣外壁處存在大量孿晶，而孿晶是低層錯能奧氏體中典型的形變組織，說明外壁較內(nèi)壁變形大，推測這是由鋼管彎頭外弧側(cè)組織老化導致。爆口邊緣外壁晶界處有大量粗化的碳化物析出，造成晶界附近形成貧鉻區(qū)，晶界弱化。在高溫下晶界是黏滯的，當彎頭部位變形過大時，在較大外力作用下晶界會產(chǎn)生滑動，在晶粒交界處產(chǎn)生應力集中[3]。鋼管彎頭外弧側(cè)處于迎風面，其環(huán)境溫度最高，因而當彎頭部位在彎制中變形過大時會造成應力集中。隨著鋼管服役時間的增長，其彎頭部位顯微組織晶粒發(fā)生變形和老化，晶界強度降低，當應力集中達到晶界開裂的程度時，晶粒交界處就產(chǎn)生楔型裂紋，裂紋迅速擴展最終導致鋼管發(fā)生泄漏[4-5]。

3 結論及建議

該末級過熱器鋼管彎頭在彎制中變形過大且其外弧側(cè)因環(huán)境溫度過高造成應力集中，隨著鋼管顯微組織的變形和老化，晶界附近產(chǎn)生貧鉻區(qū)，晶界強度降低，當應力集中達到晶界開裂的程度時，晶粒交界處產(chǎn)生了楔型裂紋，裂紋迅速擴展最終導致鋼管在運行時發(fā)生泄漏。

建議更換末級過熱器鋼管的彎管頭，同時嚴格控制鋼管彎頭的彎制工藝，避免在彎制過程中出現(xiàn)變形過大現(xiàn)象，在冷加工成型后應進行去應力處理以消除應力。此外，需對同類型彎頭進行取樣檢驗是否存在類似問題，并加強彎頭質(zhì)量監(jiān)督，防止不合格彎頭被采用。