余熱鍋爐減溫器噴管開裂原因

晁 航, 徐玲媛, 黃榮攀

(1.東方菱日鍋爐有限公司, 嘉興 314001；2.江蘇常隆管業(yè)有限公司, 昆山 215345)

在某運行2 a余熱鍋爐的停爐檢修時，發(fā)現(xiàn)其再熱器部件的減溫器噴管發(fā)生開裂。在余熱鍋爐的運行過程中，由噴淋水來調(diào)節(jié)再熱器蒸汽溫度，以達到余熱鍋爐主蒸汽溫度的控制要求。該再熱器減溫器的最大工作壓力為4.09 MPa，計算壁溫為555 ℃；噴管材料為12Cr1MoVG鋼，規(guī)格為89 mm×13 mm(外徑×壁厚)。余熱鍋爐減溫器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

12Cr1MoV鋼是國內(nèi)高壓、超高壓、亞臨界電站鍋爐過熱器、集箱和主蒸汽管道的常用材料。該鍋爐主蒸汽管在540 ℃下安全運行106h后，仍可繼續(xù)使用[1]，噴管的工作壓力和溫度符合設(shè)計使用要求。一些關(guān)于該材料的鍋爐部件在運行中發(fā)生失效的文獻表明：有較多鋼管長期工作在高溫環(huán)境，其顯微組織退化，晶粒內(nèi)部分布有蠕變孔洞，使鋼管的力學(xué)性能降低，以及高溫蒸汽環(huán)境下容易發(fā)生氧化腐蝕和應(yīng)力集中，因此會形成裂紋或發(fā)生爆管問題[2-4]。為了明確該余熱鍋爐減溫器噴管發(fā)生開裂的原因，筆者對其進行了一系列理化檢驗，最后制定出改進方案。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

噴管的外表面有一條長約50 mm的橫向裂縫，位于噴管尾部(見圖1)。沿周邊切開管體，測得壁厚為13.1～13.6 mm，基本無減薄，管體的內(nèi)、外壁無堆積的附著物，橫向開裂貫穿管壁。從管體的內(nèi)、外壁向管壁心部垂直延伸多條平行短小裂紋，內(nèi)壁裂紋較外壁數(shù)量多，且管體中部的內(nèi)壁有連成近似網(wǎng)狀的細小裂紋，開裂噴管的宏觀形貌如圖2所示。

1.2 化學(xué)成分分析

采用OBLF GS-1000型直讀光譜儀對噴管進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂噴管的化學(xué)成分符合標準GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG鋼的技術(shù)要求。

表1 開裂噴管的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 力學(xué)性能測試

按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對試樣進行室溫拉伸試驗，對比開裂管體與出廠鋼管的屈服強度和抗拉強度，結(jié)果如表2所示。由表2可知：噴管管體受細小裂紋分布的影響，管體強度相比出廠鋼管有大幅降低。

表2 開裂噴管的力學(xué)性能測試結(jié)果 MPa

1.4 金相檢驗

在鋼管開裂的一端沿縱向截取試樣，在OLYMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：其顯微組織為鐵素體+珠光體，球化級別為2級，未觀察到蠕變孔洞，有多條從管內(nèi)、外壁垂直延伸入管壁心部的平行穿晶裂紋，內(nèi)部充滿黑色異物。鋼管的內(nèi)、外壁有脫碳層，而心部的裂紋兩側(cè)無脫碳層。

1.5 能譜分析

采用掃描電鏡附帶的能譜儀對金相檢驗試樣上裂紋內(nèi)的黑色異物進行能譜(EDS)分析，結(jié)果如圖4所示，黑色異物主要為鐵和氧元素，未見氯、鉀、鈉、氮、硫等元素。

2 綜合分析

由上述分析結(jié)果可知，開裂噴管的化學(xué)成分符合標準GB/T 5310—2017的要求，管體內(nèi)、外壁分布有平行短小裂紋，從管內(nèi)、外壁垂直延伸入管壁心部。噴管的顯微組織正常，球化不嚴重，未發(fā)現(xiàn)蠕變孔洞，平行裂紋中充滿黑色異物且兩側(cè)無脫碳層，從能譜分析黑色異物的元素含量可判斷該物質(zhì)是鐵的氧化物，細小裂紋使管體強度與出廠鋼管相比大幅降低。該再熱器減溫器噴管的啟停較頻繁，當減溫器不啟動時，噴管內(nèi)無水流，其溫度近似于外部的再熱蒸汽溫度(500 ℃左右)，而當減溫器進行噴水調(diào)節(jié)時，噴管內(nèi)進入的水流溫度為200 ℃左右，前后存在約300 ℃的溫差。相關(guān)文獻表明：鍋爐、蒸汽和燃氣輪機中的某些零部件在反復(fù)加熱和冷卻的溫度循環(huán)下，膨脹和收縮受到約束時，零件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，溫度反復(fù)變化，熱應(yīng)力也隨著反復(fù)變化，從而使金屬材料受到疲勞損傷。表面熱應(yīng)變最大區(qū)域的應(yīng)力集中處經(jīng)常萌生熱疲勞裂紋，典型的表面疲勞裂紋呈龜裂狀，裂紋內(nèi)充滿氧化物。裂紋源一般有幾個，在熱循環(huán)過程中，有些裂紋發(fā)展形成主裂紋。裂紋擴展方向垂直于表面，并向縱深擴展[5-6]。

由此分析推斷：該噴管的內(nèi)、外壁細小裂紋屬于熱疲勞裂紋，特別是管內(nèi)壁直接接觸溫度較低的水流，產(chǎn)生的裂紋比外壁更多；另外，由于噴管較長，其尾部直接插入固定裝置，且有安裝配合間隙，在再熱蒸汽的作用下，插入段會有微小振動，這加速了管外壁的熱疲勞裂紋擴展，使噴管尾部與固定裝置的交界處最先開裂。

3 結(jié)論與建議

該余熱鍋爐減溫器噴管開裂的原因是：其運行前后管體溫差較大，使其承受較大的交變熱應(yīng)力，在

內(nèi)、外管壁形成小的熱疲勞裂紋；另外，噴管尾部與固定裝置間有安裝配合間隙，在再熱蒸汽的作用下噴管會有微小振動，使管外壁的熱疲勞裂紋快速擴展，并最終開裂。

噴管運行時，為延緩熱疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展，建議增加一路減溫水旁路，使噴管有持續(xù)水流以減小溫度變化。