亞臨界鍋爐分隔屏過(guò)熱器泄漏原因分析

曲同良，武芯羽

（1.華電青島發(fā)電有限公司，山東青島 266000；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

某電廠3 號(hào)機(jī)組為300 MW 發(fā)電機(jī)組，鍋爐為某鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的SG-1025/17.47-M878 亞臨界壓力控制循環(huán)汽包爐，單爐膛π型露天布置，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，四角切圓，固態(tài)排渣，于2005 年12 月投運(yùn)。其分隔屏過(guò)熱器管位于爐膛前上方，入口段材質(zhì)為12Cr1MoV 和15CrMo，出口段材質(zhì)為SA213-T91，規(guī)格為?51 mm×6 mm。負(fù)責(zé)橫向定位的蒸汽冷卻定位管材質(zhì)為T(mén)P347H（規(guī)格?51 mm×7.5 mm）。定位管由材質(zhì)為ZGCr20Ni14Si2 的三角形定位塊焊接固定，厚度為8 mm。

圖1 泄漏管段現(xiàn)場(chǎng)情況

2019 年11 月，機(jī)組在負(fù)荷為197 MW 條件下運(yùn)行時(shí)，分隔屏過(guò)熱器管發(fā)生泄漏，機(jī)組解列后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泄漏位置進(jìn)行檢查并發(fā)現(xiàn)，分隔屏過(guò)熱器管存在多處漏點(diǎn)。如圖1所示。為保障機(jī)組安全運(yùn)行，對(duì)泄漏管段進(jìn)行割管取樣，并對(duì)泄漏原因進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 宏觀檢查

圖2 泄漏管段與漏點(diǎn)宏觀形貌

表1 失效管段化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖2 所示，取樣管段共4 根，包括2 根材質(zhì)為12Cr1MoV 的過(guò)熱器管和相鄰的2 根蒸汽冷卻定位管。部分管段表面有大量輕微的凹坑；除3#管上的其中一處漏點(diǎn)之外，其余漏點(diǎn)均呈明顯的吹損減薄特征。3#管段內(nèi)壁光滑，未見(jiàn)腐蝕、凹坑、劃痕等缺陷，且無(wú)氧化皮脫落痕跡。漏點(diǎn)3-A 位于定位塊焊縫下邊緣處沿環(huán)向開(kāi)裂，周?chē)鷽](méi)有發(fā)生明顯的塑性變形，該處裂紋長(zhǎng)約10 mm。定位塊兩側(cè)縱向焊縫均已吹損減薄，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

由此判斷，本次事故的泄漏順序?yàn)?#管的漏點(diǎn)A首先發(fā)生泄漏，隨后吹損到附近管段，蒸汽在多個(gè)管段間反吹后，產(chǎn)生多個(gè)泄漏點(diǎn)。同時(shí)，煙氣中攜帶的顆粒導(dǎo)致附近管道外表面產(chǎn)生凹坑。

1.2 化學(xué)成分分析

表1所示為取樣管段化學(xué)成分分析結(jié)果。管段取樣的化學(xué)成分均滿足GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)相應(yīng)鋼種的要求。

1.3 力學(xué)性能分析

表2所示為取樣管段取樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。室溫拉伸試驗(yàn)采用弧形拉伸試樣；布氏硬度試驗(yàn)在金相檢驗(yàn)面上進(jìn)行。各管段的室溫拉伸性能和硬度值均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 失效管段力學(xué)性能

1.4 斷口分析

圖3 首斷口微觀形貌及表面元素分析結(jié)果

對(duì)首斷口取樣進(jìn)行掃描電鏡微觀觀察，微觀形貌如圖3所示。斷口宏觀上較為平齊，沒(méi)有明顯的塑性變形，近外表面?zhèn)瓤梢?jiàn)明顯的弧線狀擴(kuò)展特征，擴(kuò)展區(qū)占斷口總面積的2/3。斷口表面氧化嚴(yán)重，微觀上難以觀察到其原始特征。斷面氧化產(chǎn)物中含有少量的Al、Si、P、S、K、Ca等元素。

1.5 顯微組織檢驗(yàn)

圖4 所示為各取樣管取樣的金相檢驗(yàn)照片。1#、2#管的顯微組織均為奧氏體；3#、4#管的顯微組織均為鐵素體+珠光體，珠光體球化級(jí)別為3 級(jí)。管段金相組織均未見(jiàn)明顯異常，內(nèi)壁均未發(fā)現(xiàn)微裂紋。3#管段取樣的內(nèi)壁氧化皮厚度約為34 μm。

圖4 失效管段金相照片

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各泄漏管段的宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，首斷口附近無(wú)明顯塑性變形，管徑未發(fā)生漲粗，不具備短時(shí)過(guò)熱或長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱特征[1-2]。盡管屏式過(guò)熱器受爐膛火焰直接輻射，熱負(fù)荷比較高[3]，但調(diào)閱停機(jī)前分隔屏過(guò)熱器壁溫運(yùn)行曲線，顯示管壁測(cè)點(diǎn)溫度范圍為420～466 ℃，低于壁溫報(bào)警值486 ℃，未發(fā)生管壁超溫情況。

根據(jù)各項(xiàng)理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，取樣管段的化學(xué)成分、拉伸性能及布氏硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，顯微組織無(wú)明顯異常，且未見(jiàn)明顯的腐蝕特征，由此表明取樣管的開(kāi)裂失效與材質(zhì)不合格、材質(zhì)老化[4]及腐蝕問(wèn)題無(wú)關(guān)。若內(nèi)壁氧化皮質(zhì)地疏松、產(chǎn)生微裂紋，在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中容易被高溫蒸汽沖刷脫落[5]，造成堵管超溫而引起爆管，但金相檢驗(yàn)結(jié)果表明各管段內(nèi)壁氧化皮與基體結(jié)合緊密，厚度較薄，且首爆口所在3#試樣的珠光體球化級(jí)別為3級(jí)，進(jìn)一步說(shuō)明管段失效與氧化皮脫落問(wèn)題及顯微組織老化無(wú)關(guān)[6]。

將主裂紋打開(kāi)后進(jìn)行斷口觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋是由外壁側(cè)啟裂向內(nèi)壁側(cè)擴(kuò)展，斷口表面已明顯氧化。裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較大，可見(jiàn)疲勞弧線特征，瞬斷區(qū)較小，表明首斷口的斷裂類型為疲勞斷裂[7]。首斷口的裂紋源位于過(guò)熱器管與定位塊的焊趾處，該部位應(yīng)力集中程度較高，且可能存在一定的焊接殘余應(yīng)力[8]。

綜上所述，管道與定位塊兩端部焊趾處為應(yīng)力集中位置，局部應(yīng)力相對(duì)較高，是裂紋產(chǎn)生的敏感部位。在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，由于管道溫度波動(dòng)、汽水振動(dòng)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力等循環(huán)載荷應(yīng)力的作用下[9]，導(dǎo)致該位置產(chǎn)生了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終貫穿管壁而發(fā)生泄漏。

3 結(jié)束語(yǔ)

泄漏管段焊趾處的應(yīng)力集中程度較高，在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，管段溫度波動(dòng)、汽水振動(dòng)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力等循環(huán)載荷應(yīng)力令該部位產(chǎn)生了疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，因此母管與固定塊端部焊接位置優(yōu)先開(kāi)裂，最終引起管道破裂，之后溢出的高壓蒸汽夾帶飛灰對(duì)其余管段造成了吹損并破裂。

建議嚴(yán)格控制鍋爐啟停速率，降低管段溫度波動(dòng)等引起的管段熱應(yīng)力過(guò)高；提高母管與固定塊焊接的外觀質(zhì)量，避免出現(xiàn)咬邊、焊瘤、未熔合等可能引起應(yīng)力集中的宏觀焊接缺陷，并圓滑過(guò)渡，降低母管與固定塊端部焊縫應(yīng)力集中程度；對(duì)具有相同結(jié)構(gòu)的焊縫擴(kuò)大檢查，對(duì)存在焊接外觀成形不良及發(fā)現(xiàn)裂紋的管段及早修復(fù)處理。