某循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器爆管原因分析

賀建平,高 琨,李元翔,裴博文,袁晉雄,王德龍,王秀財

(1.國家能源集團山西電力有限公司, 山西 太原 030000; 2.神華神東電力山西河曲發(fā)電有限公司, 山西 忻州 036500)

鍋爐是火電廠重要設(shè)備之一,其主要工作原理是利用燃料燃燒放熱,加熱水等介質(zhì)。鍋爐的主要結(jié)構(gòu)為各級受熱面,因此受熱面(過熱器、再熱器、水冷壁和省煤器)的爆管失效是最常見的故障,是鍋爐安全運行的最大隱患[1-3]。對于高溫對流受熱面,尤其是高溫過熱器,由于管內(nèi)流動的工質(zhì)壓力高、管外煙氣溫度高,因此通常的管材不合格、超溫運行、溫度偏差等原因均可引起高溫過熱器的爆管[4-9]。本文對某循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器爆管失效的原因進行了分析,并提出解決辦法,為國內(nèi)其他鍋爐同類型問題解決提供借鑒。

1 爆管情況介紹

該流化床鍋爐為單爐膛M型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、全緊身封閉、循環(huán)流化床燃燒方式,采用高溫冷卻式旋風(fēng)分離器進行氣固分離,鍋爐整體支吊在鍋爐鋼架上。BMCR工況時主蒸汽流量為1 150 t/h,壓力為25.4 MPa、溫度為571 ℃。

該鍋爐高溫過熱器垂直布置在爐膛內(nèi),共6屏,每個管屏43根換熱管,各換熱管之間通過鰭片互相連接。換熱管的材料為TP347HFG和T91,直徑為63.5 mm,厚度為11.5 mm。連接換熱管的鰭片為06Cr19Ni10鋼材。發(fā)生爆管泄露的換熱管材質(zhì)為TP347HFG,位于第3屏第9根管子。爆口標(biāo)高約47 m,爆口的現(xiàn)場形貌見圖1。爆口附近的第2屏水冷壁和中級過熱器第1屏數(shù)根換熱管也被吹損。

圖1 爆口現(xiàn)場形貌

2 爆管原因分析

2.1 爆口開裂面形貌觀察

爆管后,取得爆管段和爆管后吹損段樣品,并分別記為1號樣品和2號樣品。

1號樣品爆口開裂面的形貌見圖2,包括宏觀形貌和不同倍率的掃描電鏡形貌。

圖2 爆口開裂面的宏觀和電鏡下形貌(清洗后)

由圖2可見,換熱管的外壁面處開始形成開裂,并逐漸向換熱管的內(nèi)壁面延伸。爆管位置的分裂處,靠近管子內(nèi)壁面的位置有小塊區(qū)域形貌為韌窩狀,其他多數(shù)位置均為方塊狀的沿晶體分裂。

2.2 開裂面能譜成分分析

對斷口開裂面和帶尖端沿晶裂紋的金相樣進行能譜成分分析,結(jié)果顯示,管子的爆口部分位置存在硫元素,個別點的硫元素高達12.20%,沿晶體分裂處部分點也存在硫元素。

表1 開裂面和金相樣能譜測試結(jié)果 %

2.3 化學(xué)成分分析

在1號樣品管子母材上以及鰭片的母材上各制取1份成分樣,并對其成分進行了化驗,并對1號樣品角焊縫的局部位置進行了能譜成分分析,結(jié)果表明,1號樣品管子的母材成分分析結(jié)果符合ASME SA213的要求,1號樣品鰭片母材成分分析結(jié)果符合GB 24511的要求,1號樣品上的2個角焊縫能譜成分結(jié)果與質(zhì)量證明書中的要求相符。

2.4 拉伸試驗

在2個樣品管子母材兩側(cè)各取1個縱向方向的拉伸樣品,并按GB/T 228.1在室溫下進行拉伸試驗,結(jié)果見表2。由表2可見,2個樣品室溫下的規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度和斷后伸長率符合ASME SA213的要求。

表2 樣品的拉伸試驗結(jié)果(室溫)

2.5 壓扁試驗

在2個樣品各制取3個壓扁試樣,1個拉伸側(cè)為母材外壁、1個拉伸側(cè)為去除鰭片外壁,1個拉伸側(cè)為帶鰭片外壁,按照GB/T 246進行第一步壓扁試驗,形貌見圖3(從左向右依次為管子、去除鰭片、帶鰭片三種狀態(tài))。由圖3可見,6個試樣在3點和9點部位均未見帶金屬光澤的裂縫和裂口,2個樣品的壓扁試驗結(jié)果符合ASTM A450的規(guī)定,鰭片部位的變形能力良好。

圖3 壓扁試樣形貌

2.6 晶間腐蝕試驗

在2個樣品上各制取6個晶間腐蝕試樣,其中管子母材外彎、背彎各1個,去除鰭片后外彎、背彎各1個,帶鰭片外彎、背彎各1個,未經(jīng)敏化處理,按照GB/T 4334中的方法E(不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗)進行晶間腐蝕試驗,試驗后,將其中一個試樣正向彎曲180°,另一個試樣反向彎曲180°,結(jié)果見圖4(從左向右依次為管子外彎、管子背彎、帶鰭片縱向外彎、去除鰭片縱向背彎、帶鰭片環(huán)向外彎、去除鰭片環(huán)向外彎)。由圖4可見,1號樣品母材背彎試樣有晶間腐蝕裂紋,2號樣品母材試樣未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋;2個樣品去除鰭片和帶鰭片的鰭片部位對晶間腐蝕結(jié)果無明顯影響。

圖4 晶間腐蝕試樣形貌

2.7 維氏硬度試驗

在2個樣品上各制取1個環(huán)向硬度試樣,按照GB/T 4340進行韋氏硬度試驗,試驗結(jié)果顯示,2個樣品的管子母材的硬度值滿足ASME SA213和DL/T 438對TP347HFG新管的要求,2個樣品鰭片的母材的硬度值滿足GB24511對06Cr19Ni10的新材料要求,2個樣品的角焊縫的硬度值滿足DL/T 869的要求,2個樣品角焊縫熔合線和熱影響區(qū)的硬度值未見異常。

2.8 金相試驗

在1號樣品管子的爆裂位置的中部及尖端分別取樣,并制作1個環(huán)向金相樣品,記為1-1、1-2;在2號樣品管子存在線性缺陷顯示部位制取1個環(huán)向金相樣品,記為2號,并通過光學(xué)顯微鏡,對其金相組織進行觀察,參照DL/T 1422對管子母材金相老化程度進行評級,形貌見圖5～圖7。由圖5～圖7可見:

配套服務(wù)企業(yè)包括物流包裝生產(chǎn)制造企業(yè)、農(nóng)資企業(yè)、農(nóng)機企業(yè)等等，服務(wù)于種植戶、物流等對象，系統(tǒng)模塊可以用于信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集等。

圖5 1-1號試樣(取自1號樣品爆口中部環(huán)向)金相形貌

圖7 2-1號試樣(取自2號樣品環(huán)向)金相形貌

(1)1號樣品爆裂位置的邊緣處存在少部分沿晶開裂,爆裂位置的尖端,存在比較明顯、數(shù)量較多的沿晶裂紋;2號樣品線性缺陷顯示部位為一條深度為0.1 mm 左右的沿熔合線擴展?fàn)畹牧鸭y,且肉眼可見裂紋內(nèi)有殘留物。

(2)2個樣品管子母材的顯微組織都是奧氏體,晶粒度均為8～9級,組織老化均為1.5級。從結(jié)果來看,兩個樣品管子的晶粒度均符合GB 5310的要求。2個樣品的鰭片母材的顯微組織均為奧氏體,晶粒度為4～5級,組織和晶粒度未發(fā)現(xiàn)明顯異常。2個樣品的角焊縫組織未發(fā)現(xiàn)異常。

3 綜合分析

3.1 樣品材質(zhì)分析

由以上試驗分析可知:

(1)樣品管子母材的化學(xué)成分、規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率、維氏硬度、壓扁試驗和金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)的要求或未見異常;組織老化1.5級、未見過熱;1號樣品管子母材具有輕度晶間腐蝕傾向,2號樣品管子母材無晶間腐蝕傾向。

(2)樣品鰭片母材的化學(xué)成分、維氏硬度、壓扁試驗和金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)的要求或未見異常;組織未見老化;1號樣品鰭片母材具有輕度晶間腐蝕傾向,2號樣品母材鰭片無晶間腐蝕傾向。

(3)樣品角焊縫外觀質(zhì)量不佳,存在焊縫邊緣圓滑過渡不佳和小凹坑;樣品角焊縫的能譜成分、維氏硬度、壓扁試驗和金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)的要求或未見異常。

綜上所述,2個樣品角焊縫外觀質(zhì)量不佳,存在焊縫邊緣圓滑過渡不佳和小凹坑;2個樣品角焊縫其他檢驗結(jié)果及管子母材與鰭片母材的各項檢驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求或未見明顯異常。

3.2 斷裂原因分析

由以上試驗結(jié)果可見:

(1)1號樣品鰭片對應(yīng)處的管子內(nèi)徑均略小于爐左右側(cè),差值在0.63～0.77 mm,管徑未見脹粗。

(2)1號樣品爆口緊鄰鰭片角焊縫縱向開裂,爆口略有張口(6.01 mm),爆口外壁長度(146.36 mm)大于內(nèi)壁(119.56 mm),爆口邊緣壁厚未見明顯減薄。2號樣品外壁滲透檢測后可見緊鄰鰭片角焊縫部位存在一處長約10 mm的線性缺陷顯示,其截面深約0.1 mm。

(3)1號樣品爆口邊緣可見少量沿晶開裂形態(tài),爆口尖端可見明顯的沿晶裂紋;2號樣品線性缺陷顯示部位為一條深約0.1 mm的沿熔合線擴展的裂紋,裂紋內(nèi)存在一些物質(zhì)。

(4)爆口開裂面大部分區(qū)域微觀形貌為呈冰糖塊狀的沿晶開裂,僅緊鄰內(nèi)壁有一窄條區(qū)域為韌窩。

(5)爆口開裂面和沿晶裂紋內(nèi)含有少量腐蝕性元素硫。

根據(jù)以上基本特征,判斷樣品的爆管類型為應(yīng)力腐蝕。

管材若發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,需具備三個條件:①材料的應(yīng)力腐蝕敏感性、特定腐蝕環(huán)境和拉伸應(yīng)力。奧氏體不銹鋼為應(yīng)力腐蝕敏感材料,由本文前述能譜分析結(jié)果可知,硫是引起腐蝕的主要腐蝕介質(zhì)。②而引起管材爆裂的應(yīng)力因素主要來自管屏整體的熱脹應(yīng)力和角焊縫的焊接殘余應(yīng)力,而熱脹應(yīng)力是在運行過程中由于受熱不均而產(chǎn)生的,本次高溫過熱器管材爆裂的主要原因即為應(yīng)力因素。③角焊縫外觀成形有缺陷,對于爆管也起加速作用。

根據(jù)管材爆裂部位的開裂面斷裂機制,可推斷,高溫過熱器管材在運行過程中,過角焊縫與管子母材的結(jié)合部位由于受熱不均,產(chǎn)生較大的熱脹應(yīng)力,同時煙氣中的硫元素對爆裂點產(chǎn)生腐蝕作用,爆裂部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕沿晶微裂紋,且這些裂紋不斷向爆裂的管材內(nèi)部沿晶擴展,最后在高溫過熱器內(nèi)部的高壓作用下發(fā)生失穩(wěn)擴展縱向韌性爆裂,導(dǎo)致蒸汽泄漏。

4 結(jié)論與建議

該循環(huán)流化床鍋爐的高溫過熱器的管材爆裂的主要原因為應(yīng)力腐蝕,導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要原因為管屏在運行過程中受熱不均,產(chǎn)生了較大的熱脹應(yīng)力,此外還有角焊縫的焊接殘余應(yīng)力。角焊縫外觀成形缺陷對于爆管起加速作用。建議對該循環(huán)流化床鍋爐的高過管屏角焊縫部位進行探傷,若發(fā)現(xiàn)焊接缺陷,應(yīng)及時消除。同時,應(yīng)采取降低管屏熱脹應(yīng)力的措施,如可將管屏沿中部鰭片縱向切開等。本項目的研究過程和結(jié)果可為國內(nèi)外同類鍋爐機組高溫過熱器的爆管分析及預(yù)防提供參考。