韋谞深

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院新鄉(xiāng)分院 新鄉(xiāng) 453003）

特檢之苑

鍋爐集箱孔橋裂紋的檢驗與分析

韋谞深

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院新鄉(xiāng)分院 新鄉(xiāng) 453003）

本文通過對電站鍋爐的內部檢驗，采用超聲檢測方法發(fā)現高溫過熱器出口集箱孔橋部位存在超標缺陷，經射線探傷驗證，孔橋處發(fā)現多道裂紋。對集箱更換后進行了解剖，實際狀況與探傷結果一致，經過對集箱蠕脹測量、金相檢驗、機械性能試驗等，對裂紋產生的原因進行了認真分析，認為集箱過熱器管孔周圍發(fā)射狀裂紋屬于蠕變裂紋，高溫和局部應力集中是造成管孔周圍蠕變裂紋的主要原因，并從設計、制造、檢驗、使用等環(huán)節(jié)提出了預防措施。

出口集箱 超聲檢測 管孔裂紋 蠕變 措施

筆者在對一家企業(yè)電站鍋爐的內部檢驗時，對高溫過熱器出口集箱孔橋部位進行超聲檢測，結果發(fā)現存在多道裂紋，筆者希望通過此缺陷的分析研究，能夠引起鍋爐設計制造單位、安裝單位、使用單位以及檢驗單位對這一問題的關注，確保鍋爐長期安全運行。

1 鍋爐概況

該鍋爐于1994年安裝并投入使用，型號為YG-35/3.82-M3，循環(huán)流化床鍋爐，過熱蒸汽出口壓力3.82MPa，出口溫度450℃。過熱器出口集箱材質為15CrMoG，規(guī)格為273×16mm，累計運行時間130000h。

2 缺陷檢出過程

在對該鍋爐內部檢驗時，考慮到運行時間較長，檢驗方案中要求對高溫過熱器出口集箱中間孔橋部位進行超聲檢測抽查，檢測中對中間部位左數第15～16根、16～17根過熱器管孔橋進行超聲檢測，發(fā)現有明顯的超標缺陷，缺陷回波起波速度很快，波幅高遠超判廢線，左右移動探頭，有一定的延伸長度，且具有面積形缺陷特征［1］。于是對全部孔橋進行檢測，結果發(fā)現從左數第10～20根過熱器管之間的孔橋有超標缺陷，為驗證超聲檢測結果，對左數第15～16、16～17根過熱器管孔橋進行射線探傷，發(fā)現均存在多道明顯的裂紋，裂紋最長約為50mm［2］。針對以上所檢測到的危險性缺陷，及時修改檢驗方案，增加對表面式減溫器引入、引出管孔橋部位的超聲檢測，經對左數第17～18根、19～20根低溫過熱器引入管孔橋部位，左數第16～17根、18～19根高溫過熱器引出管孔橋部位進行超聲檢測，均未發(fā)現可記錄缺陷。

3 處理結果

根據檢測情況：高溫過熱器出口集箱左數第10～20根過熱器管之間的孔橋部位發(fā)現多道裂紋，應進行集箱更換。

4 切割解剖

圖1 左數第13～18根過熱器管孔內側

圖2 左數第15～16根過熱器管孔內側

圖3 左數第15～16根過熱器管孔橋橫截面

對該集箱更換后，經對集箱外徑測量后，筆者進行了解剖，結果與探傷情況一致，通過解剖筆者可以清楚地看到，左數第10～20根過熱器管集箱管孔周邊呈現多道發(fā)射狀裂紋，向四周擴展，裂紋自內向外縱深延伸，集箱中部最為嚴重，裂紋最長達55mm，最深達14mm，最寬達1.50mm。見圖1、圖2、圖3。

5 試驗與檢測

為了分析集箱孔橋裂紋產生的原因，筆者對更換下來的集箱進行了如下試驗與檢測工作：

5.1 蠕脹測量

為了檢測集箱的蠕脹情況，對更換下來的高溫過熱器出口集箱進行外徑測量，自左至右等分測量5個截面，見表1。

表1 蠕脹測量

由表1中測量值看出，集箱兩端外徑值較小，中間外徑值較大，相對于公稱直徑273mm，最大脹粗值為3.72mm，最大脹粗率為1.40%，表明集箱發(fā)生了較大的蠕脹，產生蠕脹裂紋的管孔區(qū)脹粗更為嚴重。

5.2 金相檢驗

為了檢驗450℃高溫對15CrMoG材質金相組織的影響，筆者對集箱中部進行金相檢驗，采用機械拋光，4%硝酸酒精溶液浸蝕，金相顯微倍數為500倍，見圖4。由金相圖片可以看出，集箱材料金相組織中珠光體傾向性球化，屬2級，表明金相組織基本正常，未發(fā)生劣化［3］。

圖4 15CrMoG集箱金相圖

5.3 力學性能試驗

為驗證集箱材料在室溫下的強度，割取未產生蠕變裂紋的集箱部位制取拉力試樣3個，進行屈服強度和抗拉強度試驗，試驗結果見表2。從試驗結果可以看出，室溫下集箱材料抗拉強度和屈服強度在標準值范圍之內［4］。

表2 力學性能試驗

6 原因分析

通過對集箱的測量、檢驗與試驗，可以清楚看到，其金相組織基本正常，材質無劣化現象，室溫下抗拉強度和屈服強度也在標準值范圍之內，但集箱管材發(fā)生了蠕變現象。

該鍋爐高溫過熱器出口集箱，材質為15CrMoG，屬于耐熱低合金鋼，在鍋爐額定壓力為3.82MPa，額定溫度為450℃的參數下長期運行，必然發(fā)生蠕變現象。蠕變是材料在高溫下長時間承受恒溫、恒載荷作用，緩慢產生塑性變形的現象。是在溫度T≥（0.30～0.50）t（t為熔點，T為溫度）及遠低于屈服強度的應力下，材料隨加載時間的延長緩慢地產生塑性變形。通常碳素鋼超過300～350℃、合金鋼超過400～450℃時才有蠕變行為，在高溫條件下，材料都有著與常溫下不同的蠕變行為，借助于高溫作用和外力作用，材料的抗形變能力得到削弱，內部質點發(fā)生遷移，晶界相對移動，便發(fā)生蠕變，材料的應變ε隨時間t變化的典型蠕變曲線，如圖5所示［5-6］。曲線的終端表示材料發(fā)生斷裂，t=0時的應變表示加載結束時的即時應變，它包括彈性應變和塑性應變。蠕變曲線可分為三個階段：Ⅰ為非定常蠕變階段，應變率隨時間的增加而減小；Ⅱ為定常蠕變階段，應變率保持常值；在最末階段Ⅲ，應變率隨時間增加而增大，最后材料發(fā)生斷裂。通常，升高溫度或增加應力都會使蠕變加快并縮短達到斷裂的時間。若應力較小或溫度較低，則蠕變的第二階段(Ⅱ)持續(xù)較久，甚至不出現第三階段（Ⅲ）。

圖5 材料應變ε隨時間t變化的典型蠕變曲線

高溫過熱器出口集箱正下部與30根高溫過熱器出口管子相連，集箱開孔部位是強度薄弱區(qū)，集箱管孔內側周圍屬于應力集中區(qū)，特別是管孔內側加工粗糙時應力集中更為嚴重，所以出口集箱開孔部位在長期運行下除了發(fā)生蠕變，管孔內側周圍還會因蠕變而發(fā)生蠕變裂紋。由于主蒸汽管道從出口集箱中部向上引出（見圖6），對出口集箱中部必然會產生附加的彎曲應力，所以發(fā)生蠕變裂紋的嚴重部位發(fā)生在集箱中部。

圖6 主蒸汽管道自集箱中部引出圖

7 結論

通過分析以及對集箱的測量、檢驗與試驗，可以清楚地看到，15CrMoG集箱管材，在壓力為3.82MPa，溫度為450℃使用參數下長期運行，金相組織基本正常，材質無劣化現象，室溫下抗拉強度和屈服強度也在標準值范圍之內，但集箱管材會產生蠕變現象。對集箱開孔，尤其是開孔內側周圍加工較粗糙、存在顯微裂紋源的應力集中部位，會產生更大的蠕變損傷，在開孔內側周圍產生發(fā)射狀蠕變裂紋。對于主蒸汽管道自集箱中部向上引出，對集箱產生附加應力的中部孔橋部位發(fā)生蠕變裂紋的現象更為嚴重。

8 建議和注意事項

8.1 運行中溫度和壓力控制

對于耐熱低合金鋼15CrMoG管材，在一定應力下，長期高溫運行，必然發(fā)生蠕變現象。應力越高、溫度越高，蠕變就越嚴重。試驗證明，合金鋼材料低于400℃以下運行，即使裂紋尖端附近存在較高應力，部件材料也不會產生蠕變損傷，其壽命也幾乎不受影響；但合金鋼材料使用溫度高于400～450℃，在一定應力下就會發(fā)生蠕變現象，并且每升高12℃，或應力升高15%，合金鋼材料使用壽命將縮短一半［7］。所以在鍋爐運行中，避免超壓和超溫，以最大限度延長材料的使用壽命。

8.2 彈簧支吊架預壓縮值的設定

如果主蒸汽管道自過熱器出口集箱中部向上引出，應注意管道支吊架的合理設計，尤其是管道出口第一只彈簧支吊架的預壓縮值，應能全部承擔支吊架兩側管道及其保溫的重量，同時，垂直管道部分的熱膨脹帶來的向上位移，在彈簧支吊架預壓縮時應予考慮，以防止運行時對集箱產生附加應力［8]。

8.3 開孔加工

對于鍋爐制造單位，在對過熱器出口集箱、集汽集箱及再熱器出口集箱開孔加工時，應注意內孔口邊沿光滑，有條件時最好圓滑過渡，避免帶毛刺甚至開裂［9]。

8.4 定期檢驗

鍋爐內部檢驗時，對于碳素鋼超過300℃、合金鋼超過400℃以上的集箱［5-6］，在運行時間超過5萬h時，對過熱器、再熱器出口集箱引入管孔橋部位每2個內部檢驗周期進行超聲檢測抽查，重點抽查集箱中部引入管孔橋部位；運行時間超過10萬h時，對過熱器、再熱器出口集箱引入管孔橋部位以及集汽集箱引入、引出管孔周圍每次內部檢驗都應進行超聲檢測抽查［10］，重點抽查集箱中間部位。

8.5 超聲檢測的工藝要求

在對集箱進行超聲檢測時，所選探頭晶片曲率盡量與集箱曲率一致，以保證探頭與集箱表面能夠良好耦合。掃查時應盡量采用直射波，所選探頭K值宜采用K=1［1］。

8.6 使用過程監(jiān)督

有條件的鍋爐使用單位，在鍋爐運行時間超過5萬h的停爐期間，采用超聲檢測方法對過熱器、再熱器出口集箱引入管孔橋部位進行探傷，以便盡早發(fā)現，及時處理；對集箱外徑進行定點測量，做好記錄并計算蠕脹率，當蠕脹率超過1%時［10］，應加強監(jiān)督并申請檢驗單位進行檢驗，確保鍋爐安全運行。

[1]NB/T 47013.3—2015 承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測[S].

[2]NB/T 47013.2—2015 承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測[S].

[3]DL/T 787—2001 火力發(fā)電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標準[S].

[4]GB/T 228.1—2010 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法[S].

[5]王從曾.材料性能學[M].北京：北京工業(yè)大學出版社，2007：124-133.

[6]胡賡祥，蔡珣，戎詠華.材料科學基礎[M].上海：上海交通大學出版社，2007：214-216.

[7]GB/T 30579—2014 承壓設備損傷模式識別[S].

[8]DL/T 5054—2016 火力發(fā)電廠汽水管道設計規(guī)范[S].

[9]GB/T 16507.3—2013 水管鍋爐 第3部分：結構設計[S].

[10]TSG G7002—2015 鍋爐定期檢驗規(guī)則[S].

Inspection and Analysis of Cracks in the Boiler Header

Wei Xushen
(Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing Xinxiang Branch Xinxiang 453003)

During the internal inspection for the power plant boiler, excessive defects were found in the high temperature superheater outlet header ligament by ultrasonic testing, where many cracks were detected by radiographic inspection. After the dissection of the header, the actual situation was the same as and the detection result. The cause of the crack was carefully analyzed combining creep expension measurement, metallographic examination and mechanical performance test. It was considered that surrounding cracks around the pipe hole of superheater header were creep crack, and the high temperature and local stress concentration were the main reasons. Preventive measures were put forward in the aspects of design, manufacture, inspection and use.

Exit header Ultrasonic testing Tube hole crack Creep Measures

X933.2

B

1673-257X(2017)09-0072-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.09.014

韋谞深（1965～)，男，本科，工程師，從事承壓類特種設備檢驗工作。

韋谞深，E-mail： wxsh298298@126.com。

2017-04-11）