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        鍋爐再熱器管取樣管座裂紋原因分析及處理

        2019-06-03 10:57:20劉立海楚鵬濤王東杰張守鑫
        山東電力技術(shù) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        劉立海,楚鵬濤,王東杰,張守鑫

        (大唐臨清熱電有限公司 ,山東 聊城 252600)

        1 概述

        某公司2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程2號鍋爐為SG-1165/25.4-M4420型,是經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化的超臨界參數(shù)變壓運行直流鍋爐。設(shè)計最大蒸發(fā)量1 165 t/h,過熱蒸汽壓力25.40 MPa,溫度571℃;再熱器材質(zhì)為 SA335-P91鋼,規(guī)格為D508 mm×22 mm,漏泄處附近集箱管座材質(zhì)為F91,再熱器取樣管SA335-T91鋼,規(guī)格為D32 mm×8 mm。

        截至2018年3月5日機組累計運行5 884.9 h,機組經(jīng)過9次啟機10次停機,鍋爐高溫再熱器出口導(dǎo)管漏泄,漏泄位置為蒸汽取樣管管座25 mm處,長度約30 mm。

        鍋爐左右兩側(cè)取樣管安置在水平再熱蒸汽管道頂部,通過變徑垂直向上引出約600 mm,再水平2 500 mm斜向下引至12 m平臺取樣管匯合處,如圖1所示。

        圖1 裂紋實際位置

        2 方案選擇

        由于處在春節(jié)用電高峰期,加上工業(yè)蒸汽的流量較大,不允許長時間停機,先采用了加裝臨時密封卡子堵住泄漏點,同步開始研究處理方案。

        方案1。停機后對裂紋進(jìn)行挖補,前提是如果裂紋由管座開始在層間延伸到母管外側(cè),未達(dá)到母材貫穿性開裂。工期7天可完成。如果停爐后,在挖補過程中發(fā)現(xiàn)母材貫穿性開裂,再繼續(xù)對母管大面積補焊風(fēng)險較大,工期15天,質(zhì)量難以保證。只能轉(zhuǎn)方案2。

        方案2。把帶傷的母管連同取樣管部分整體更換,在鍋爐廠提前把取樣管管座焊接好,再進(jìn)行現(xiàn)場2道D508 mm×22 mm大口焊接,2道D32 mm×8 mm小口焊接,工期質(zhì)量容易把控,工期7天。

        由于對裂紋走向及發(fā)展情況不明,對于單純挖補維修經(jīng)過多方考慮,認(rèn)為充滿不確定性,從保障工期及質(zhì)量角度考慮,決定整體更換。停爐后由上海鍋爐廠按照方案2對整體管道進(jìn)行施工,現(xiàn)場施工方案、工藝經(jīng)審核批準(zhǔn),完成后經(jīng)質(zhì)量驗收合格,投入運行。

        3 漏泄管段試驗與分析

        3.1 管件外貌

        觀察管件內(nèi)壁形貌如圖2所示,管座內(nèi)孔附近蒸汽流向方向存在較多明顯的縱向微裂紋。內(nèi)壁表面有近似橢圓黑色區(qū)域。 打磨微裂紋表面,顯示內(nèi)表面存在網(wǎng)狀裂紋,且裂紋較深,表面打磨一定深度裂紋仍未消除,如圖3所示。

        圖2 管道內(nèi)壁

        圖3 打磨后管道內(nèi)壁

        3.2 管件解剖

        對原始管件進(jìn)行解剖分析,即分為金相、斷口觀察區(qū)和性能復(fù)驗區(qū),并對金相、斷口觀察區(qū)進(jìn)行解剖,分割為5塊。黃色線區(qū)域?qū)?yīng)為內(nèi)壁近似橢圓“黑色物質(zhì)”區(qū)域。金相斷口區(qū)域解剖示意如圖4所示,試樣形貌如圖5所示。

        圖4 金相斷口區(qū)域解剖示意圖

        圖5 試樣形貌

        3.3 化學(xué)成分分析

        對圖5中2號式樣進(jìn)行金相觀察,并對圖5中2號式樣漏泄裂紋處打開觀察斷口形貌。原材料化學(xué)成分符合文獻(xiàn)[1]的要求,樣管化學(xué)成分如表1所示。

        表1 樣管化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

        化學(xué)成分 測試值 質(zhì)保書要求值 入廠檢驗值 S A 2 1 3-P 9 1 N b 0.0 7 4 0.0 7 0.0 8 7 0.0 6~0.1 0 N 0.0 4 5 0.0 4 7 0.0 6 1 0.0 3~0.0 7 N i 0.1 7 0.1 5 0.1 6 ≤0.4 0 A l <0.0 1 5 0.0 0 9 <0.0 1 5 <0.0 4 0 T i Z r <0.0 1 <0.0 1<0.0 1<0.0 1 0.0 0 1 0.0 0 1<0.0 1<0.0 1

        3.4 力學(xué)性能分析

        樣管的拉伸性能、硬度滿足文獻(xiàn)[1-3]的要求,原材料拉伸性能、硬度合格,樣管性能如表2所示。樣管沖擊測試值與質(zhì)保書要求值、入廠檢驗值相近,材料韌性較好。

        表2 樣管性能

        3.5 金相分析

        參考DL/T 884—2004《火力發(fā)電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》[4],原材料為正常的回火馬氏體組織,組織老化級別為1~2級。管道內(nèi)壁裂紋起源于內(nèi)表面,向外部擴(kuò)展,裂紋形貌平直,無分支,尖端較為圓鈍,裂紋擴(kuò)展以穿晶為主,裂紋內(nèi)布滿氧化層,材料金相如圖6所示。

        圖6 內(nèi)壁裂紋微觀圖

        3.6 斷口觀察

        裂紋斷面形貌主要為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū),分別對應(yīng)A、B、C區(qū)域,斷面形貌如圖7所示。裂紋源區(qū)位于管道內(nèi)壁,呈臺階狀,局部較為平整,說明裂紋源區(qū)存在多條裂紋源,與金相組織檢驗結(jié)果一致;裂紋擴(kuò)展區(qū)存在較多的河流狀條紋,為脆性斷口。

        圖7 斷面形貌

        4 原因綜合分析

        結(jié)合試驗數(shù)據(jù)說明再熱蒸汽管道的化學(xué)成分和機械性能均滿足文獻(xiàn)[1-2]的要求,可排除材質(zhì)不良因素。

        從內(nèi)壁形貌觀察,管道內(nèi)壁存在網(wǎng)狀裂紋,裂紋已貫穿管道整個壁厚從而導(dǎo)致泄漏。漏泄斷口形貌得出,裂紋由管道內(nèi)壁向外擴(kuò)展。管道內(nèi)壁網(wǎng)狀裂紋均存在于管道內(nèi)壁近集箱管座孔黑色區(qū)域內(nèi)。裂紋密布呈網(wǎng)狀,充滿氧化皮,發(fā)展不規(guī)則,沿晶開裂等判斷該裂紋為熱疲勞裂紋。而熱疲勞裂紋通常由于冷熱交替形成較大的溫差應(yīng)力作用下在應(yīng)力集中處或表面缺陷處形成微裂紋,并在冷熱循環(huán)作用下不斷擴(kuò)展深入母材。

        現(xiàn)場再熱蒸汽取樣管有較長的垂直管段和水平管段,一次閥門離管座距離較遠(yuǎn),管道較細(xì),外部保溫效果較差,由于管子內(nèi)外溫差較大,形成了強烈的熱交換,造成遠(yuǎn)離母管遠(yuǎn)處的取樣管內(nèi)蒸汽形成凝結(jié)水,當(dāng)取樣管閥門開度較小放水不及時或放水流速較慢時,凝結(jié)水從水平段回流到再熱蒸汽管道內(nèi),蒸汽貼著再熱器管道內(nèi)壁上方逐漸被再熱蒸汽蒸發(fā),由于母管溫度較高,冷凝水又是非連續(xù)流淌,這樣就會在再熱母管取樣口蒸汽方向存在汽水兩相流,產(chǎn)生較高的冷熱交變應(yīng)力,造成母管取樣孔內(nèi)壁形成龜裂狀熱疲勞裂紋。DL/T 612—2017《電力行業(yè)鍋爐壓力容器安全監(jiān)督規(guī)程》[5]規(guī)定,空氣管、輸水管、排污管、取樣管、儀表管等小口徑管應(yīng)有布置圖及防止冷凝水倒流的措施。

        再熱蒸汽取樣管在機組正常運行時處于連續(xù)開通狀態(tài),在機組停機后初期,在非備用狀態(tài)下母管內(nèi)迅速失壓后,冷空氣也會順著取樣管被負(fù)壓抽到高溫的再熱器母管內(nèi),同樣取樣管內(nèi)冷凝水在未被排凈的情況下順著管座反流,受氣流沖擊噴在管口沿再熱器母管內(nèi)壁,會造成在再熱器母管取樣口蒸汽方向產(chǎn)生較高的交變冷熱應(yīng)力,造成母管取樣孔內(nèi)壁形成龜裂狀熱疲勞裂紋。

        取樣管從母管引出后有較長的水平管段,并且呈現(xiàn)管座方向低取樣方向低的走勢,不滿足DL/T 612—2017《電力行業(yè)鍋爐壓力容器安全監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,是造成取樣管處再熱蒸汽管道開裂的主要原因。鍋爐僅運行5 884.9 h,鍋爐啟停次數(shù)高達(dá)9次,是造成再熱蒸汽管道開裂的原因之一。

        5 結(jié)語

        原有取樣管從母管引出后有較長的水平管段,現(xiàn)改為再熱蒸汽取樣管從母管上后縮短原來的長度,并且把水平段做成再熱蒸汽管道出口側(cè)高,引出側(cè)偏低的走向,有效防止凝結(jié)水回流。停爐前要求盡量放凈凝結(jié)水,及時關(guān)閉取樣管一二次門,有效減少“冷氣源、冷水源”入內(nèi)。加強取樣管保溫包覆工作,提高取樣管內(nèi)蒸汽凝結(jié)水溫度,正常工況開大取樣管閥門開度,保證管內(nèi)冷凝水的排空速度,實際改造良好,值得推廣。

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