杭州華電半山發(fā)電公司 郭可偉 馬春江 丁勇能

某電廠4號(hào)鍋爐前屏過(guò)熱器管發(fā)生爆管。停爐以后即進(jìn)行割管檢查，并作了宏觀測(cè)量、金相顯微組織和力學(xué)性能試驗(yàn)分析，由此確定了爆管的原因。

該電廠4號(hào)鍋爐是SG-420/140-M415 型煤粉直流燃燒鍋爐，π 形布置，燃燒器采用四角切向布置的直流燃燒器。爐膛上部出口處按煙氣流向分別布置6 片前屏過(guò)熱器，其后布置14 片后屏過(guò)熱器。高溫對(duì)流過(guò)熱器布置在折焰角的斜坡上，低溫過(guò)熱器由左右側(cè)包復(fù)、后墻及爐頂過(guò)熱器組成。設(shè)計(jì)過(guò)熱蒸汽流量420 噸/小時(shí)，過(guò)熱蒸汽溫度540 攝氏度，過(guò)熱蒸汽壓力13.72兆帕。

在累計(jì)運(yùn)行高達(dá)136000 小時(shí)左右、累計(jì)啟停230 余次后發(fā)生爆管，被迫停爐進(jìn)行檢修。爆管具體位置為前屏過(guò)熱器東向西數(shù)第四屏的外圈管子定位管。該定位管按管排的結(jié)構(gòu)形狀彎制定形固定管排，并在此布置一道焊口。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑匿摴懿牧弦?guī)格為Φ38×4.5 毫米的10CrMo910 鋼。爆管時(shí)引起該管在焊口附近斷裂，連接焊縫側(cè)斷口呈橢圓形喇叭狀，另一側(cè)斷口則已完全展開(kāi)。爆破口兩側(cè)的管子均有明顯脹粗現(xiàn)象。

斷口宏觀檢查測(cè)量

1.爆破管的宏觀形貌

割管以后對(duì)爆破管及相關(guān)的損傷管子進(jìn)行宏觀測(cè)量檢查。起始爆破管管子軸向展開(kāi)，其宏觀形狀如圖1所示。

2.爆口宏觀數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)

圖2為爆破管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)示意圖。

爆破口兩側(cè)的管子呈明顯脹粗狀態(tài)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 爆破管及附近汽流沖蝕管子宏觀

表1 爆破管脹粗宏觀測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 附近沖蝕管宏觀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

爆破時(shí)強(qiáng)大的高溫高壓氣流沖刷附近管排，引起該屏東西兩側(cè)橫向水平管、中間U 形管彎頭兩內(nèi)側(cè)等多處泄漏，水平連通管與附焊件碰撞引起機(jī)械損傷。宏觀測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

根據(jù)以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，在離制造廠焊縫約55 毫米處發(fā)生爆破，爆口展開(kāi)處有明顯的減薄現(xiàn)象，最薄處僅有1毫米，只占原始壁厚的22%，爆口兩側(cè)2～3 米范圍內(nèi)的管壁均有脹粗現(xiàn)象，經(jīng)測(cè)量最大脹粗率為10.5%，大大超出DL438-2000《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》合金鋼過(guò)熱器管外徑蠕變變形2.5%的規(guī)定。

3.制造廠焊縫存在嚴(yán)重的裂紋性缺陷

爆口附近的焊縫是由制造廠通過(guò)碰焊的焊接方法完成的。對(duì)該焊縫解剖檢查，發(fā)現(xiàn)在焊縫根部和外弧表面均有裂紋缺陷，用表面滲透探傷方法進(jìn)一步檢測(cè)到裂紋在焊縫中心位置上的連續(xù)性。其中焊縫外弧表面裂紋環(huán)繞整圈焊縫，焊縫根部的表面裂紋也超過(guò)整圈周長(zhǎng)的50%，深度均在2 毫米左右。圖3、圖4為該焊縫宏觀形貌和焊縫裂紋橫斷面示意圖。

力學(xué)性能試驗(yàn)

為了了解爆破管脹粗段的力學(xué)性能和未脹粗變形管段的力學(xué)性能，我們分別進(jìn)行了割管試驗(yàn)，取樣位置見(jiàn)圖2和表3，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表1和表2分別計(jì)算了第二種和第三種情況下的投資因子變化。在第二種情況下，因?yàn)楣臼怯览m(xù)增長(zhǎng)，所以投資因子比較大，其值大約在15-36之間。在第三種情況下，因?yàn)橹挥星叭暝鲩L(zhǎng)，以后是零增長(zhǎng)，所以投資因子的范圍在10-15之間。第一種情況是零增長(zhǎng)模型，比較簡(jiǎn)單，取R為9%、10%、11%時(shí)，投資因子分別為12.11、11、10.09。

割管光 譜材質(zhì)復(fù) 核為Cr、Mo、V鋼，估計(jì)通常為12Cr1MoV 耐熱鋼，與實(shí)際提供的技術(shù)資料10CrMo910 牌號(hào)不相符。按12Cr1MoV 鋼的以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，脹粗管和未脹粗變形管在室溫下的力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)GB5310《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》的技術(shù)要求。有資料研究表明：12Cr1MoV 在長(zhǎng)期的高溫高壓下運(yùn)行，當(dāng)珠光體球化時(shí)，都將使常溫力學(xué)性能根據(jù)球化等級(jí)的不同而相應(yīng)下降。但4號(hào)爐前屏過(guò)熱器在運(yùn)行了136000 小時(shí)后，其常溫力學(xué)性能變化并不是很大，所有技術(shù)指標(biāo)均在合格范圍內(nèi)，說(shuō)明其還有一定的使用壽命期。

金相顯微組織分析試驗(yàn)

1.微觀金相取樣的選定

為了進(jìn)一步分析爆管的原因，我們?cè)诒乒苌系拿洿治恢煤捅谡归_(kāi)位置的有代表性部位分別選取了多個(gè)金相試樣；為了作對(duì)比，在未脹粗變形的管段上也選取了金相試樣。具體位置如圖2所示。另外，因?yàn)樵诒诟浇圃鞆S的焊縫內(nèi)外表面均發(fā)現(xiàn)裂紋，故也對(duì)其進(jìn)行了焊縫橫斷截面的金相分析。

圖2 爆破口宏觀示意圖

圖3 制造廠焊縫內(nèi)外表面裂紋宏觀

圖4 制造廠焊縫橫斷面表面開(kāi)裂示意圖

表3

表4

圖5 未脹粗管

圖6 爆口上金相組織

圖7 脹粗管段金相組織

圖8 焊縫母材金相組織

2.微觀組織分析

（1）圖5為珠光體區(qū)域內(nèi)碳化物已經(jīng)顯著分散，珠光體區(qū)域形態(tài)已經(jīng)不明顯。大部分碳化物已分布于鐵素體的晶內(nèi)或晶界上。按照“12Cr1MoV 鋼球化級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”（草案）評(píng)定為3～4級(jí)。

（2）圖6、圖7為爆口和脹粗管的顯微組織，珠光體也已經(jīng)分解但其形態(tài)仍舊可見(jiàn)。由于管子在爆破瞬間都發(fā)生了很大的變形，所以顯微組織具有一定的方向性，即沿著受力方向組織發(fā)生畸變。

（3）圖8、圖9、圖10為制造廠碰焊接頭焊縫金相組織。由于該焊口采用的是碰焊焊接方法，通電以后加熱加壓使得兩管子端口局部熔化而達(dá)到原子間的結(jié)合，其熱影響區(qū)較小，真正組成焊縫的是局部變形隆起的母材，與添加填充金屬相比的焊接接頭，相當(dāng)于處在稍離焊縫的母材熱影響區(qū)上，因此其呈現(xiàn)分布不均勻的不完全正火區(qū)的鐵素體與珠光體組織。

（4）圖11、圖12為焊縫的內(nèi)外表面裂紋缺陷，可以看出裂紋已經(jīng)達(dá)到了一定的深度。

試驗(yàn)結(jié)果分析

1.宏觀檢查爆口張開(kāi)很大，爆破口處管壁明顯變薄，最薄處僅為1～1.3 毫米。爆口光滑，整個(gè)管子內(nèi)外表面均未見(jiàn)較厚的氧化皮，有屬于短時(shí)過(guò)熱爆口類(lèi)型的特征。

2.在爆口附近有一制造廠焊口，從焊縫橫向取樣觀測(cè)到該焊縫外緣和根部上各有一道深度約2 毫米左右的裂紋，外表面環(huán)繞整個(gè)管子周長(zhǎng)，根部達(dá)到周長(zhǎng)的50%，且焊縫根部突出，通流面積明顯減小。

3.管徑測(cè)量中發(fā)現(xiàn)爆破管在制造廠焊口兩端約3 米范圍內(nèi)有明顯脹粗現(xiàn)象，測(cè)得管徑脹粗直徑為Φ39～Φ42毫米，最大蠕變變形約為10.5%。爆口緊挨制造焊口，管壁明顯變薄，僅為3.75 毫米。其余管子測(cè)量均正常。

4.按設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑牟牧弦?guī)格為Φ38×4.5 毫米、10CrMo910 鋼材，而實(shí)際光譜材質(zhì)復(fù)核見(jiàn)到明顯的Cr、Mo、V 元素譜線，說(shuō)明實(shí)際使用材料與設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)定的材料不符。

5.金相顯微組織分析爆破口處和脹粗管珠光體分解，呈中度球化狀態(tài)。

6.爆口附近和未脹粗管的力學(xué)性能試驗(yàn)均符合GB5310 和YB529 等標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)。

7.管子內(nèi)彎弧外表面存在多處嚴(yán)重的機(jī)械硬傷。

分析意見(jiàn)

屏式過(guò)熱器布置在爐膛火焰中心上方，受到爐膛直接熱輻射，工作環(huán)境惡劣。從1984年投運(yùn)至今，該機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行136000 小時(shí)左右，啟停230 余次，按常規(guī)的10 萬(wàn)小時(shí)設(shè)計(jì)，12Cr1MoV 材料已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)壽命。同時(shí)由于該屏式過(guò)熱器采用了新型固定結(jié)構(gòu)，用作管夾的脹粗管兩端均定制為“S”形彎頭，可能蒸汽通流阻力較大，中間又有焊口，減少了通流截面，所以也不排除有被異物堵塞的可能性。因此可以認(rèn)為該管脹粗爆管是一次單獨(dú)事故現(xiàn)象。

圖9 焊縫金相組織

圖10 焊縫熱影響區(qū)

圖11 焊縫表面裂紋情況

圖12 焊縫根部裂紋情況