段文龍

廣東粵電云河發(fā)電有限公司

300MV循環(huán)流化床鍋爐頂棚水冷壁管失效分析

段文龍

廣東粵電云河發(fā)電有限公司

某電廠一臺(tái)300MV的循環(huán)流化床鍋爐頂棚水冷壁運(yùn)行中發(fā)生失效，造成機(jī)組停機(jī)。經(jīng)對失效管子外觀、金相、斷口掃面電鏡等分析，得出結(jié)論，該管失效原因是管子內(nèi)壁存在內(nèi)疲勞裂紋，而熱疲勞裂紋的產(chǎn)生是由于廠家設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)缺陷所致。

流化床鍋爐；熱疲勞；失效；分析

概述

某電廠有一臺(tái)300MV的單鍋筒自然循環(huán)、亞臨界中間再熱循環(huán)流化床機(jī)組，鍋爐型號(hào)為SG-1036/17.5-M4506。生產(chǎn)廠家為上海鍋爐廠。該鍋爐投產(chǎn)一年后，運(yùn)行中發(fā)生頂棚水冷壁失效事件，造成機(jī)組停機(jī)。失效的頂棚水冷壁管材質(zhì)為SA210-C,規(guī)格為Φ 60×7.5。失效位置為頂棚水冷壁管從A側(cè)往B側(cè)數(shù)第24根，并對旁邊管子造成大面積吹損。本文從專業(yè)技術(shù)角度對失效管子進(jìn)行分析后，找出管子失效的原因，提出了相關(guān)改進(jìn)措施。

1 、外觀形貌分析

失效管子的外觀形貌見圖一，從圖中可以看出失效管子有明顯的吹損減薄痕跡。經(jīng)對失效管子破開后內(nèi)表面的外面形貌見圖二，從圖中可以看出該管內(nèi)表面有大量的橫向裂紋。結(jié)合圖一、圖二分析爆口為周向開裂，裂口呈脆性厚唇式，剔除開裂后的吹損因素外，無塑性拉伸等減薄和變形。內(nèi)外壁無氧化皮，無脹粗。管子內(nèi)壁有大量周向裂紋，且裂紋呈龜裂狀。裂紋延伸方向與管子主應(yīng)力方向垂直。宏觀形貌符合熱疲勞裂紋的特征。從宏觀形貌可以判定爐管的失效方式為熱疲勞失效。

圖一失效管子外觀形貌圖片

圖二失效管子內(nèi)表面外觀形貌圖

2 、金相組織分析

圖三失效管子橫截面金相

圖四失效管子縱向金相

在第24根管子上分別取橫向與縱向試樣，進(jìn)行微觀組織觀察。其組織圖片見圖三-圖四所示，可以發(fā)現(xiàn)裂紋為穿晶斷裂，附近無明顯塑性變形，裂紋從管子內(nèi)壁表面開始向內(nèi)擴(kuò)展，方向與表面垂直，裂紋尖端較為尖銳，其內(nèi)部有灰色氧化物，符合熱疲勞裂紋特征。管子金相組織正常。

3 、斷口分析

通過掃描電鏡對已經(jīng)失效的鍋爐頂棚處水冷壁管子的內(nèi)壁橫向裂紋進(jìn)行分析，圖片見圖五、圖六。圖五中扇形區(qū)域?yàn)樵剂鸭y斷面，顯示脆性疲勞斷裂特征，有多個(gè)裂紋源，斷口表面有氧化層。

圖六頂棚水冷壁開裂管子內(nèi)表面裂紋形貌

4 、綜合分析

根據(jù)上面的試驗(yàn)和分析結(jié)果，判斷頂棚水冷壁管子開裂的裂紋為熱疲勞裂紋。熱疲勞裂紋產(chǎn)生有兩個(gè)必要條件即機(jī)械束縛和溫度變化。裂紋萌生于內(nèi)壁，可以判定機(jī)械束縛和溫度變化主要來自于內(nèi)壁,由于目前只發(fā)現(xiàn)頂棚水冷壁爐右第24根內(nèi)壁有大量周向裂紋，附近管子并未發(fā)現(xiàn)裂紋,可以排除區(qū)域性煙氣側(cè)熱沖擊，可以肯定熱沖擊來源于管內(nèi)介質(zhì)側(cè)。

5 、頂棚水冷壁管的內(nèi)表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋的原因

由于泄露管管段并沒有出現(xiàn)脹粗、管壁壁厚明顯減薄的現(xiàn)象，因此可以推斷管子內(nèi)壁并沒有出現(xiàn)第一類或者第二類傳熱惡化。因?yàn)闊崞诩?xì)裂紋只產(chǎn)生在頂棚水冷壁的內(nèi)壁，推斷應(yīng)該是頂棚水冷壁管的內(nèi)壁有汽水分離界面產(chǎn)生。

鍋爐個(gè)別管子內(nèi)產(chǎn)生間斷性的汽水分離界面很可能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，經(jīng)查設(shè)計(jì)說明書，該鍋爐的汽水循環(huán)系統(tǒng)包括鍋筒、大直徑下降管、水冷屏下降管、水冷壁、水冷屏和引出管。爐膛后墻水冷壁管排的結(jié)構(gòu)如圖七所示。

圖七爐膛后墻水冷壁管排的結(jié)構(gòu)圖

圖八后墻環(huán)形集箱管子局部流場示意圖

圖五頂棚水冷壁開裂管子裂紋斷口形貌

根據(jù)頂棚水冷壁的分布結(jié)構(gòu)，頂棚水冷壁管熱疲勞裂紋的產(chǎn)生是在水冷壁后墻出口的集箱彎頭第一個(gè)管接頭處，此處出口為前墻水冷壁上部集箱引出管。下面我們再對位于后墻出口區(qū)域的爐頂水冷壁的降壓差變化和流場分析，后墻環(huán)形集箱管子局部流場示意圖見圖八。從圖中可以看出引入前墻水冷壁管出口集箱的位置正好是水冷壁引出管管座的角部，因此此處的工質(zhì)流場受到“角部渦旋”的影響，而產(chǎn)生熱疲勞裂紋的管子是靠近彎頭處的第一根管子，是受到“彎頭效應(yīng)”影響的最大處，此種結(jié)構(gòu)在靜壓差上容易產(chǎn)生壓差的波動(dòng)，從而造成產(chǎn)生熱疲勞管的管內(nèi)工質(zhì)的流場和流量容易發(fā)生波動(dòng)。另外，管內(nèi)汽水混合物的含汽率隨著流動(dòng)方向逐漸變大，因此管子出口段受周期性流量及流場波動(dòng)的影響更大，這是造成管子內(nèi)壁間斷性汽水分離后產(chǎn)生熱疲勞裂紋的原因。

5 、結(jié)論

（1）失效管子從外觀形貌、金相組織、掃描電鏡圖片可以判定，該管失效是熱疲勞裂紋導(dǎo)致。

（2）熱疲勞裂紋產(chǎn)生的原因是廠家設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)缺陷造成。

（3）處理措施，對失效管子進(jìn)行更換處理，并對該鍋爐其它相同位置五條管子進(jìn)行無損探傷檢測。為消除泄漏管可能受到的“角部效應(yīng)”影響，將鍋爐頂棚水冷壁右側(cè)數(shù)第24#號(hào)管及對稱位置的其它五條管子改為不經(jīng)過環(huán)行集箱，直接連通，在環(huán)形集箱的管子上下管接頭封堵，由廠家出具具體實(shí)施方案。

[1]吳倩，曹振濤.鍋爐受熱面材質(zhì)失效分析.輕工科技，2011（27）:45～45

[2]李衛(wèi)東，李倩，趙向南，陳志剛.循環(huán)流化床鍋爐高溫受熱面管失效研究現(xiàn)狀.河南科技，2015（1）:71～73

[3]任瑞敏.300MW循環(huán)流化床鍋爐受熱面爆管的事故處理.山東工業(yè)技術(shù)，2015（18）:34～34

段文龍（1981-），男，漢族，廣東云浮人，本科，熱能動(dòng)力工程師，主要從事電廠金屬技術(shù)監(jiān)督方面的工作，對電廠金屬材料的檢驗(yàn)和失效分析有豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。