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        超超臨界鍋爐水冷壁泄漏原因分析

        2019-03-11 08:57:56李生文吳易洋
        工業(yè)加熱 2019年1期
        關(guān)鍵詞:水冷壁凹槽內(nèi)壁

        李生文,林 琳,吳易洋

        (西安熱工研究院有限公司,陜西西安710054)

        某電廠4號(hào)鍋爐是東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司與日本巴布科克—日立鍋爐有限公司合作設(shè)計(jì)、聯(lián)合制造的型號(hào)DG3000/26.25—Ⅱ1型1036MW超超臨界本生直流鍋爐。2016年9月,4號(hào)鍋爐水冷壁A側(cè)往B側(cè)數(shù)第23根凝渣管對(duì)應(yīng)的用于連接凝渣管和螺旋水冷壁管的過(guò)渡管發(fā)生泄漏,4號(hào)機(jī)組于2012年9月投產(chǎn)至水冷壁過(guò)渡管泄漏累計(jì)運(yùn)行約2.75萬(wàn)小時(shí),啟停11次。

        水冷壁管樣材質(zhì)為15CrMoG,為掌握鍋爐受熱面水冷壁材質(zhì)狀態(tài),查找水冷壁泄漏原因,本文對(duì)泄漏管樣進(jìn)行了取樣試驗(yàn)與分析,并提出改進(jìn)及預(yù)防措施。

        1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        1.1 宏觀形貌觀察

        管樣宏觀形貌如圖1(a)所示。過(guò)渡管材質(zhì)為SA-182 F22,過(guò)渡管下方的水冷壁管樣材質(zhì)為15CrMoG,規(guī)格為Φ38.1 mm×7.5 mm。距過(guò)渡管與水冷壁管焊縫上方約10 mm處過(guò)渡管的向火面存在沿環(huán)向擴(kuò)展的裂口,裂口在外壁環(huán)向貫穿向火面,且已貫穿整個(gè)壁厚,裂口附近已被泄漏的水汽吹損。沿縱向?qū)⒐軜悠书_,過(guò)渡管的內(nèi)壁坡口加工處存在“V”字型凹槽,裂紋從凹槽處垂直于壁厚方向開裂泄漏,兩側(cè)斷口未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形,如圖1(b)~圖1(e)所示。

        1.2 金相分析

        對(duì)管樣各個(gè)部位進(jìn)行金相組織觀察,如圖2所示,結(jié)果如下:

        (1)裂紋產(chǎn)生于內(nèi)壁坡口加工的凹槽處,由內(nèi)壁向外壁方向擴(kuò)展,近內(nèi)壁的裂紋較為筆直,無(wú)分叉,裂紋尖端處存在分叉,裂紋內(nèi)存在氧化物;

        (2)過(guò)渡管的母材顯微組織為貝氏體+鐵素體,球化1~2級(jí),晶粒度為4~5級(jí);過(guò)渡管熱影響區(qū)的顯微組織為貝氏體+鐵素體;水冷壁管母材的顯微組織為鐵素體+珠光體,球化2級(jí),晶粒度為7~8級(jí);水冷壁管熱影響區(qū)的顯微組織為珠光體+鐵素體;焊縫的顯微組織為貝氏體。

        1.3 掃描電鏡分析

        1.3.1 金屬基體成分分析

        在FEI Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對(duì)管樣進(jìn)行能譜成分分析,結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明:管樣各部位的材質(zhì)與設(shè)計(jì)材料相符,過(guò)渡管材質(zhì)為SA-182 F22,過(guò)渡管下方的水冷壁管樣材質(zhì)為15CrMoG,不存在錯(cuò)用材料問題。

        圖1 管樣各部位宏觀形貌

        圖2 管樣各部位顯微組織形貌

        表1 管樣能譜成分分析結(jié)果 %

        1.3.2 能譜分析和斷口形貌分析

        使用FEI Quanta 400型掃描電鏡對(duì)裂口進(jìn)行SEM形貌觀察,未清洗前的斷口存在較厚的氧化皮,使用OXFORD INCA Energy X射線能譜儀對(duì)斷口表面存在的氧化物進(jìn)行成分分析。管樣斷口表面O、Fe含量較高,還有Si、Ca、K、Mg等。使用弱酸對(duì)斷口表面進(jìn)行清洗,清洗后的斷口微觀形貌如圖3所示。由于介質(zhì)泄漏已將大部分裂口吹損,部分未吹損的部位斷口顯示為脆性的穿晶斷裂[1-2]。

        圖3 管樣斷口形貌

        在FEI Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對(duì)試樣裂紋內(nèi)的氧化物進(jìn)行半定量的能譜成分分析,結(jié)果如表2所示,微區(qū)分析位置如圖4所示。結(jié)果表明:裂紋中的氧化物主要成分為O、Fe,還有Si、Cr、Mo、Mn、Mg、Ca等,未發(fā)現(xiàn)S、Cl等腐蝕性元素。

        1.4 硬度試驗(yàn)

        依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2009[3]在HVS-50型維氏硬度試驗(yàn)機(jī)上對(duì)管樣各部位進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn),荷載為98 N,保荷10 s。試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。結(jié)果表明:試樣各部位的硬度值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表2 裂紋內(nèi)氧化物能譜成分結(jié)果 %

        圖4 裂紋內(nèi)氧化物成分分析能譜位置

        表3 硬度試驗(yàn)結(jié)果

        2 原因分析

        以上分析可知:水冷壁過(guò)渡管裂紋產(chǎn)生于內(nèi)壁坡口加工的“V”字型凹槽處,并沿垂直于壁厚方向擴(kuò)展至開裂泄漏。水冷壁過(guò)渡管的壁厚與下側(cè)水冷壁管的壁厚不同,在焊接時(shí)需要對(duì)過(guò)渡管的坡口處進(jìn)行加工,DL/T 869—2012[4]對(duì)內(nèi)壁尺寸不相等而外壁平齊時(shí)厚度差的處理方法如圖5所示,而過(guò)渡管坡口在實(shí)際加工中出現(xiàn)了凹槽,不符合DL/T 869—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求,從而導(dǎo)致在凹槽處存在較大的應(yīng)力集中[5-6],在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)壓應(yīng)力的作用下,裂紋從凹槽處萌生,在機(jī)組啟停、運(yùn)行和調(diào)峰過(guò)程中逐漸由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展直至泄漏。

        圖5 DL/T 869-2012中內(nèi)壁尺寸不相等而外壁平齊時(shí)厚度差處理方法

        3 結(jié)論及建議

        (1)導(dǎo)致水冷壁過(guò)渡管發(fā)生泄漏的原因是過(guò)渡管的內(nèi)壁坡口加工處存在凹槽,凹槽處應(yīng)力集中較大,在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)壓應(yīng)力的作用下,裂紋從凹槽處萌生,在機(jī)組啟停、運(yùn)行和調(diào)峰過(guò)程中逐漸由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展直至泄漏。

        (2)加強(qiáng)焊接過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)督,嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)管樣坡口進(jìn)行加工,避免坡口處存在凹槽[7],導(dǎo)致應(yīng)力集中。

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