火力發(fā)電廠末級再熱器G102鋼管泄漏原因

王慶峰

(中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華北電力試驗研究院,北京 100040)

在火電機組的實際運行過程中,鍋爐四管泄漏問題嚴重威脅著機組的安全穩(wěn)定運行[1-4]。因此,在機組出現(xiàn)四管泄漏等事故時,應對事故原因進行分析與總結,并提出相應的改進措施,以加強機組的運行管理和維護維修,從而保證機組的安全穩(wěn)定運行。

某火力發(fā)電廠末級再熱器選用了12Cr1Mo V鋼、G102鋼和SA-213T91鋼,其中G102鋼管發(fā)生泄漏事故。末級再熱器G102鋼管區(qū)域自運行以來未進行改造更換,即泄漏區(qū)域的G102鋼管運行時間已達16萬小時。

筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、掃描電鏡(SEM)及能譜分析、力學性能測試等方法分析了泄漏原因,并提出了一些改進措施,以防止該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

末級再熱器距頂棚約5 m,其左數(shù)第34排、前數(shù)第9根垂直段發(fā)生泄漏,并造成周圍部分管子減薄。對左數(shù)第34排、前數(shù)第9根管子的爆口上側200 mm 管段和爆口下側800 mm 管段,左數(shù)第31排、前數(shù)第9根管,左數(shù)第34排、前數(shù)第10根管段分別進行取樣,并分別標記為34-9、34-9上口、34-9下口、31-9和34-10。

爆管過程中,34-9垂直段斷為3段,中間段爆口長度約為350 mm,開口最大處寬約50 mm;斷口粗糙且不平整,邊緣為鈍口、不鋒利;管子內(nèi)、外壁氧化皮明顯,但在爆管過程中氧化皮發(fā)生明顯剝落,管壁厚度減薄約2 mm;中間段與上下段斷口呈撕裂狀。末級再熱器34-9泄漏管宏觀形貌如圖1所示,可見開裂處呈脆性斷裂特征。

圖1 末級再熱器34-9泄漏管宏觀形貌

1.2 化學成分分析

泄漏管材料為G102鋼,采用直讀光譜儀對其進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:除Cr元素質(zhì)量分數(shù)略高于上限外,其余各元素的質(zhì)量分數(shù)均滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準對G102鋼的要求。G102鋼中Cr元素的主要作用是提高抗蒸汽氧化能力[5]。因此,可以判斷Cr元素質(zhì)量分數(shù)略高不是泄漏的原因。

表1 34-9泄漏管化學成分分析結果

1.3 金相檢驗

1.3.1 34-9泄漏管顯微組織形貌

34-9泄漏管爆口處顯微組織形貌如圖2所示,爆口處金屬壁厚明顯減薄,最薄處為1.3 mm,爆口其他地方金屬壁厚約為2 mm。由圖2可知:其顯微組織形貌存在大量蠕變孔洞,孔洞多位于三角晶界處,且直徑最大約為10μm;回火貝氏體基本消失,晶內(nèi)碳化物顯著減少,粗大的碳化物主要分布在晶界處,但未出現(xiàn)雙晶界。依據(jù)DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與評定技術導則》進行評定,其組織老化級別為4.5級。爆口處顯微組織老化程度嚴重,且出現(xiàn)了大量蠕變孔洞,達到蠕變壽命后期。

圖2 34-9泄漏管爆口處顯微組織形貌

34-9上口和34-9下口迎煙氣側管段的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知:34-9上口和34-9下口迎煙氣側管段顯微組織基本一致,回火貝氏體區(qū)域基本消失,晶內(nèi)碳化物顯著減少,粗大的碳化物主要分布于晶界處,組織老化級別為4.5級。內(nèi)壁氧化皮厚度分別為1.13 mm 和1.54 mm。

圖3 34-9上口和34-9下口迎煙氣側管段的顯微組織形貌

1.3.2 31-9的顯微組織形貌

取與31-9同水平高度的管子進行分析,31-9迎煙氣側顯微組織形貌及內(nèi)壁氧化皮微觀形貌如圖4所示。由圖4可知:回火貝氏體區(qū)域基本消失,晶內(nèi)碳化物顯著減少,粗大的碳化物主要分布于晶界處,組織老化級別為4.5級,內(nèi)壁氧化皮厚度為1.43 mm。

圖4 31-9迎煙氣側顯微組織形貌及內(nèi)壁氧化皮微觀形貌

1.3.3 34-10的顯微組織形貌

取與34-10同水平高度的管子進行分析,34-10迎煙氣側顯微組織形貌及內(nèi)壁氧化皮微觀形貌如圖5所示。由圖5可知:34-10垂直管段顯微組織為回火貝氏體,依據(jù)DL/T 884—2019進行評定,組織老化級別為2.5級,仍存在回火貝氏體區(qū)域,但晶界處碳化物顆粒增多、增大,內(nèi)壁氧化皮厚度為0.97 mm。

圖5 34-10迎煙氣側顯微組織形貌及內(nèi)壁氧化皮微觀形貌

對34-9上口、34-9下口、31-9和34-10的內(nèi)壁氧化皮厚度進行匯總,結果如表2所示。由表2可知;34-9上口、34-9下口及31-9迎煙氣側內(nèi)壁氧化皮厚度均大于1 mm,且較其他3個方向的厚度明顯偏厚,而34-10迎煙氣側及兩側氧化皮厚度較為均勻,為0.96～0.98 mm,背煙氣側為0.51 mm。

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表2 內(nèi)壁氧化皮厚度 mm

1.4 掃描電鏡及能譜分析

34-9泄漏管爆口邊緣SEM 形貌及能譜分析結果如圖6所示。由圖6可知:蠕變孔洞主要出現(xiàn)在碳化物顆粒附近和三角晶界處,部分蠕變孔洞直徑已達10μm;碳化物顆粒主要分布于三角晶界處,其顆粒直徑已達5μm 左右;箭頭處碳化物顆粒中金屬元素主要為Cr、Mn、Fe、Mo、W 等元素。隨著運行時間的延長,運行6萬、10萬、18萬小時的G102鋼組織逐漸老化,主要表現(xiàn)為貝氏體中碳化物的析出和長大,并逐漸在晶界聚集,當運行時間達到18萬小時后,碳化物數(shù)量減少,顆粒粗大,并向晶界聚集[6]。Cr和Mo等固溶強化元素不斷脫溶,向碳化物轉移,形成VC、M7C3和M6C,導致晶界處的碳化物中合金元素逐漸增多、尺寸增大,同時造成固溶體的貧化,引起組織的不穩(wěn)定,進而影響鋼的熱強性[7]。

圖6 34-9爆口邊緣SEM 形貌及能譜分析結果

34-9上口、34-9下口和31-9的SEM 形貌如圖7所示。由圖7可知:34-9上口、34-9下口和31-9的晶界處均出現(xiàn)了大量不同尺寸的碳化物顆粒,同時晶粒內(nèi)部分布著少量彌散的細小碳化物顆粒。不同的是,34-9上口和34-9下口晶界處碳化物顆粒尺寸已達4μm 左右,而31-9碳化物顆粒尺寸基本小于2μm。

1.5 力學性能測試

分別沿34-9上口、34-9下口、31-9和34-10垂直段切取縱向條狀試樣,采用萬能試驗機對試樣進行室溫短時拉伸試驗,結果如表3所示。由表3可知:34-9上口和34-9下口迎煙氣側試樣的斷后伸長率不滿足標準要求,且遠低于標準下限值18.0%;34-10迎煙氣側抗拉強度明顯低于背煙氣側,且迎煙氣側試樣的抗拉強度已略低于標準要求;其他所取試樣的力學性能均符合GB 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

表3 末級再熱器鋼管試樣拉伸性能試驗結果

2 綜合分析

從宏觀形貌上看,末級再熱器爆口呈脆性斷裂特征,斷口粗糙且不平整,管壁減薄明顯。爆管及附近取樣管內(nèi)、外壁均存在氧化皮,外壁氧化皮呈樹皮狀,較脆且易剝落,而內(nèi)壁氧化皮致密,與金屬結合牢固。34-9上口、34-9下口以及31-9迎煙氣側內(nèi)壁氧化皮相對較厚,大于1 mm,最厚處為1.54 mm(34-9下口)。較厚氧化皮嚴重降低了管子的有效承載壁厚[8-9],爆口處管壁最薄處為1.3 mm,爆口附近管子壁厚僅約為2 mm。

從顯微組織上看,34-9上下口、34-9下口迎煙氣側組織老化級別均為4.5級,回火貝氏體區(qū)域基本消失,晶內(nèi)碳化物顯著減少,粗大的碳化物主要分布于晶界處,34-9爆口位置晶界處的碳化物尺寸最大為5μm 左右,泄漏管其他位置(34-9上口和34-9下口)碳化物顆粒尺寸已達4μm 左右。按照DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》要求,G102鋼管碳化物明顯聚集長大(3μm～4μm)時,應進行材料評定和壽命評估;同時,爆口附近存在大量蠕變孔洞,孔洞多位于三角晶界處和碳化物顆粒附近,部分蠕變孔洞尺寸已達10μm,達到蠕變壽命后期。31-9迎煙氣側組織老化程度與34-9管子相近,老化級別為4.5級,但其晶界碳化物顆粒尺寸基本小于2μm,且未見蠕變孔洞;緊鄰泄漏管的34-10管子老化級別為2.5級,晶界處碳化物顆粒有增多、增大現(xiàn)象,但尚保存部分貝氏體區(qū)域痕跡。總體而言,泄漏管運行16萬小時后組織老化明顯,回火貝氏體逐步消失,Mo、W 元素從固溶體中析出,在晶界處形成塊狀和條狀M6C碳化物,并逐漸長大,碳化物尺寸最大已達5μm 左右。

從力學性能上看,34-9上口和下口迎煙氣側試樣斷后伸長率遠低于標準下限值18.0%。34-9上口和下口碳化物明顯聚集長大,尺寸已達4μm 左右,說明碳化物顆粒尺寸嚴重影響G102鋼的室溫力學性能。進一步驗證了DL/T 438—2016《相關條款要求。一般而言,碳化物顆粒尺寸、形態(tài)及分布對材料的力學性能有顯著影響。大尺寸的碳化物顆粒在晶界處析出,造成固溶體的貧化,引起組織的不穩(wěn)定,進而影響鋼的熱強性;同時,在外力作用下,裂紋易在碳化物顆粒與基體的界面處萌生并發(fā)生擴展,導致材料的沖擊吸收能量和斷后伸長率明顯降低[10-11]。

從結構布置上看,34-9為左數(shù)第34排、前數(shù)第9根管,為末級再熱器第34屏次內(nèi)圈的出口垂直段。因最內(nèi)圈為半高程,34-9爆口處的入口段和出口段之間存在約400 mm 的空間,使次內(nèi)圈的出口段在一定程度上受煙氣直吹。因此34-9和結構位置水平高度相同的31-9管迎煙氣側內(nèi)壁氧化皮厚度均大于1 mm,且較其他3個方向明顯偏厚,與34-10管(內(nèi)3圈)內(nèi)壁氧化皮厚度分布明顯不同。

3 結論與建議

(1)末級再熱器G102鋼的使用溫度限制在602℃,末級再熱器最高運行溫度為540～560℃,爐內(nèi)G102 鋼管段壁溫可達600℃,高于DL/T 715—2015《火力發(fā)電廠金屬材料選用導則》中G102鋼的推薦使用溫度575℃,其組織老化、性能劣化及氧化皮生成速度較快;在后續(xù)鍋爐運行過程中,建議重新核算末級再熱器報警溫度,避免超溫運行。

(2)末級再熱器G102鋼管段長周期運行16萬小時后,組織老化、性能劣化嚴重;建議對末級再熱器G102鋼管段進行材料評定和壽命評估,對不滿足繼續(xù)運行條件G102鋼管段進行更換。

(3)G102鋼管段內(nèi)、外壁氧化皮的生成影響了熱交換,使金屬當量壁溫升高,加速了G102鋼組織老化、性能劣化,最終使G102鋼管達到蠕變壽命后期;應結合機組檢修安排,對末級再熱器G102鋼管段內(nèi)壁的氧化皮厚度進行抽查,當氧化皮厚度超過0.5 mm 時,對管子材料進行狀態(tài)評估。

(4)建議增加末級再熱器次內(nèi)圈的壁溫測點,加強次內(nèi)圈的壁溫監(jiān)測。