鍋爐主蒸汽流量變送器接頭斷裂失效分析

胡美些，張艷飛

（1.內蒙古機電職業技術學院,呼和浩特 010070；2.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

在火電廠單元機組運行管理工作中，主蒸汽流量作為系統的關鍵參數之一，決定著滑壓曲線的變化趨勢，影響著主蒸汽閥門的開度，對機組運行狀況、性能監測、過程控制起著至關重要的作用。主蒸汽流量一般多采用差壓式流量計來測量，該流量計一般由流量孔板、一次閥門、引壓管路、二次閥門、排污閥門、平衡門和差壓變送器組成[1-2]。流量變送器一旦出現故障，將嚴重影響整個機組的安全經濟運行。某火電機組在運行過程中發生了主蒸汽流量變送器接頭斷裂故障，這是變送器運行過程中不常見的故障[3]。

為避免同類問題的出現，保證機組安全、經濟、可靠地運行，本文通過化學成分檢測、金相組織檢驗、斷口微區檢測等方法對變送器斷裂原因進行研究并提出可行的建議。

1 故障情況

該電廠鍋爐正常運行時各項參數如下：主汽流量為415 t/h，汽包壓力為10.55 MPa，主汽壓力為9.7 MPa，主汽溫度為533 ℃，給水流量為415 t/h，給水溫度為219 ℃，給水壓力為14.6 MPa。運行過程中發現主汽流量偏小，就地檢查發現主汽流量變送器處漏氣，辦理工作票，解除給水自動，運行做措施關閉主汽流量變送器正壓側一次門，關閉負壓側一次門，在關門過程中發現儀表燒紅，在措施做完后檢查發現變送器已經燒壞，M18的變送器接頭斷裂。斷口整體呈現明顯的脆性斷裂形貌，無明顯塑性變形，斷口齊平且光亮，與正應力相互垂直，斷口附近的截面在厚度方向上基本未發生收縮，整個端面在外觀上呈現顆粒狀，有較為明顯的由內而外的徑向放射狀花樣，表明裂紋起源于內螺紋處并向外擴展，如圖1所示。

圖1 變送器接頭斷口及表面宏觀形貌

2 試驗內容及分析

2.1 化學成分檢測與分析

電廠未提供變送器接頭的詳細材質信息，對變送器接頭取樣進行化學成分檢測，檢測數據如表1所示。從實測元素含量分析，該合金Mn元素質量分數為12.7%，Cr元素質量分數為10.75%，既不屬于國標中304、301等300系奧氏體不銹鋼，也不屬于201、202等200系奧氏體不銹鋼。但是實測的成分中以鉻、錳元素為主，應該是幾乎不含鎳的非標鉻錳鋼。

表1 主蒸汽流量變送器接頭化學成分檢測結果%

2.2 顯微組織檢測與分析

在變送器接頭斷口附近取樣進行金相顯微組織檢測，如圖2所示。由圖2（a）可見，變送器接頭的基體組織為伴有大量滑移線和孿晶的奧氏體組織及碳化物析出。標準不銹鋼按組織分為奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體加鐵素體不銹鋼[4]。本次失效件的組織為奧氏體加碳化物，屬于非典型不銹鋼，這一點也正好和化學成分檢測結果相符。

圖2 斷裂變送器接頭各部位組織

由圖2（b）～圖2（d）所示，從斷口處到基體的不同區域均存在不同程度的晶間腐蝕情況，有的個別區域已發生晶粒脫落現象，斷裂是沿著連接松散的晶間腐蝕處開始并逐漸擴展的。在試樣邊緣發現局部存在組織異常區域，為焊接組織。

2.3 斷口微區檢測與分析

利用先進的掃描電子顯微鏡(SEM)對變送器接頭斷口進行微區觀察。斷口整體呈現沿晶開裂的特征形貌，內、外壁邊緣局部區域均存在不同程度的晶粒脫落現象[5-6]，如圖3所示。

圖3 斷裂變送器接頭斷口形貌

3 試驗結果

由化學成分分析結果可知，變送器接頭實測元素含量中主要元素Mn質量分數為12.7%，Cr元素質量分數為10.75%，為Cr-Mn鋼，非Cr-Ni系列奧氏體不銹鋼。Cr-Mn鋼屬于節鎳奧氏體不銹鋼，因為錳元素和鎳元素一樣，是鋼中奧氏體相形成元素，它會縮小鐵素體相區，擴大奧氏體相區，并使奧氏體-鐵素體轉變低溫移動，但是錳元素的作用強烈程度不如鎳。因此，錳元素一般只能作為合金元素加入到鉻-鎳不銹鋼中。這個系列的鋼很多都是廠家自行開發，為了降低成本，鎳含量都比較低，導致耐蝕性能下降[7]。本次失效的變送器接頭含鎳量僅有0.08%，含鉻量剛剛超過10.5%，卻不足12%，很明顯是屬于廠家自行開發的低鉻低鎳的非國標鉻錳鋼。可以提高耐蝕性的鉻、鎳元素的含量均較低，而碳含量卻較高，大大增加了碳化鉻在晶界析出的可能，使得晶界形成“貧鉻區”機會增多，導致晶間腐蝕產生的傾向增加。變送器接頭本身在整個機組運行過程中要經常承受高溫高壓蒸汽的沖擊，還要經受電解質的電化學腐蝕，所以在使用一定時間以后，腐蝕逐漸由晶界腐蝕擴展到穿晶腐蝕，當應力達到一定程度，就會發生應力腐蝕斷裂。這一點從本次斷裂的變送器接頭金相組織檢驗、微區形貌檢測和宏觀形貌檢測中也得到了驗證。

4 結語

1）綜合以上分析認為，本次鍋爐主蒸汽流量變送器接頭斷裂的原因是變送器接頭所用材料中Cr元素含量遠低于奧氏體不銹鋼對Cr含量的要求，而Ni含量又極低，C含量較高，當材料長期在高溫運行過程中與電解質的電化學腐蝕環境相接觸時在晶界處形成貧Cr區而發生的嚴重的晶間腐蝕而導致應力腐蝕斷裂。

2）首先應選用符合標準要求的、穩定性較強的奧氏體不銹鋼或奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼制造變送器接頭；其次，生產廠家要加強質量管理和監控，加強對出廠產品的檢驗與驗收，防止不合格品在電廠零部件上使用。最后應避免接觸電解質的電化學腐蝕環境，避免再次出現類似斷裂失效事件。