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        鍋爐過熱管開裂失效分析

        2022-12-01 08:02:40吳旭煒張永良
        化工設(shè)計(jì)通訊 2022年10期
        關(guān)鍵詞:火面氏硬度外壁

        吳旭煒,張永良

        (1.國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司,上海 200233;2.國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司,山東威海 264300)

        1 概況

        某煉化廠鍋爐在高溫過熱器爐管背火面發(fā)生泄漏,漏點(diǎn)位置集中于出口管束管道背火側(cè),且分布較均勻,裂縫外圈可見白色粉末狀結(jié)晶,漏點(diǎn)位置未見明顯的漲粗等變形。管道存在一定的變形彎曲,上側(cè)為向火面,下側(cè)為背火面,如圖1所示。

        圖1 來樣彎曲狀態(tài)圖

        過熱器爐管規(guī)格為φ38×3.5 mm,材質(zhì)均為12Cr1MoVG,運(yùn)行壓力為6.03MPa,運(yùn)行介質(zhì)為水蒸氣,主蒸汽運(yùn)行溫度為420~460℃。自2013年3月安裝完成后運(yùn)行至今,運(yùn)行時(shí)間為3.75萬(wàn)h。

        2 檢驗(yàn)與測(cè)試

        2.1 滲透檢測(cè)

        截取一段裂紋分布較集中的管道,對(duì)其內(nèi)外壁分別進(jìn)行著色滲透檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖2所示,左圖為背火面內(nèi)壁,右圖為背火面外壁。

        圖2 背火面內(nèi)壁及外壁著色滲透圖

        由圖2可見,背火面內(nèi)壁有3條較明顯的裂紋顯示,方向與軸線垂直,此外,同一軸線上還分布有十分密集的同方向細(xì)小裂紋和腐蝕坑;而背火面外壁只有3條較明顯的裂紋顯示,為內(nèi)壁貫穿至外壁的裂紋。由此可以推斷,裂紋是從背火面內(nèi)壁萌生,而外壁的裂紋為內(nèi)壁細(xì)小裂紋擴(kuò)展后貫穿管壁所形成。

        2.2 光譜分析

        在管材上截取一段試樣,在其截面上進(jìn)行光譜分析。其中,Mn:0.51%(質(zhì)量百分比),Cr:1.11%(質(zhì)量百分比),Mo:0.29(質(zhì)量百分比),V:0.20%(質(zhì)量百分比)。對(duì)比GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》化學(xué)成分,符合標(biāo)準(zhǔn)中12Cr1MoVG的化學(xué)元素成分,與業(yè)主提供材質(zhì)相符。

        2.3 室溫拉伸試驗(yàn)

        在未開裂管材背火面及向火面各取2根縱向室溫拉伸試樣。對(duì)比GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》拉伸標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均符合要求,但抗拉強(qiáng)度接近要求下限值。室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

        表1 過熱管試樣室溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        2.4 顯微維氏硬度檢測(cè)

        在來樣背火面外表面、內(nèi)表面、截面位置各取1塊試樣進(jìn)行顯微維氏硬度試驗(yàn)。對(duì)比過熱管道試樣中維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。顯微維氏硬度結(jié)果如表2所示。

        表2 過熱管試樣顯微維氏硬度數(shù)據(jù)

        2.5 金相檢測(cè)

        在過熱管外表可見裂紋處截取一段試樣,在與裂紋垂直方向截面上進(jìn)行金相分析。低倍下背火面內(nèi)壁表面裂紋分布見圖3,可見圖上側(cè)為背火面內(nèi)壁表面,除了最右側(cè)一條貫穿裂紋之外,還密集分布了多條深淺不一的微裂紋。內(nèi)表面有少量氧化物,在貫穿裂紋表面存在腐蝕坑,裂縫內(nèi)部充滿氧化物,裂紋走向與內(nèi)表面垂直,裂紋呈穿晶和沿晶的混合形態(tài)。微裂紋起始于腐蝕凹坑,裂紋內(nèi)部充滿氧化物,裂紋走向與背火面內(nèi)壁表面垂直,裂紋呈穿晶和沿晶的混合形態(tài),尾端圓潤(rùn),為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

        圖3 背火面內(nèi)壁表面裂紋分布(×50)

        低倍下背火面外壁表面裂紋分布,如圖4所示,圖下側(cè)為背火面外壁表面,此表面僅存在貫穿截面的裂紋,并未發(fā)現(xiàn)其他細(xì)小微裂紋。

        圖4 背火面外壁表面裂紋分布(×50)

        對(duì)背火面內(nèi)外壁裂紋分布情況的金相分析與之前滲透檢測(cè)的推斷一致,即裂紋從背火面內(nèi)壁萌生,繼而向背火面外壁擴(kuò)展。

        在一處背火面外壁開裂處進(jìn)行金相分析,裂紋形貌見圖5??梢娏鸭y走勢(shì)較直,呈樹枝狀分叉形態(tài)。高倍下可見裂紋呈穿晶和沿晶的混合形態(tài),見圖6。

        圖5 背火面外壁表面裂紋形貌(×50)

        圖6 背火面外壁表面裂紋高倍形貌(×500)

        截面心部組織形貌見圖7,組織為鐵素體+珠光體+貝氏體。

        圖7 截面心部組織(×500)

        2.6 能譜分析

        對(duì)過熱管背火面內(nèi)表面及外表面裂紋處白色粉末進(jìn)行能譜分析,檢測(cè)結(jié)果如表3所示??梢妰?nèi)表面除了較多的氧化物之外還存在Cl-,這類離子會(huì)對(duì)過熱管內(nèi)表面產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕,形成腐蝕坑,并在應(yīng)力造成的晶格破壞的條件下滲入金屬基體,形成穿晶或沿晶腐蝕[1]。而在外表面裂紋處白色粉末發(fā)現(xiàn)含量較高的Mg2+和Ca2+,可能與鍋爐水質(zhì)量控制情況有關(guān)。

        表3 能譜分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)(wt%)

        3 結(jié)論

        1)根據(jù)化學(xué)分析及力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果可知,材料符合12Cr1MoVG相關(guān)技術(shù)要求。

        2)根據(jù)著色滲透檢測(cè)及金相分析結(jié)果可以推斷,裂紋是從背火面內(nèi)壁萌生。

        3)根據(jù)管子彎曲方向可知,過熱管背火面受到縱向拉應(yīng)力的作用。

        4)根據(jù)能譜分析結(jié)果可知,管內(nèi)壁存在腐蝕性Cl-。

        綜上,該過熱管的開裂滿足產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的要素,即管內(nèi)存在的腐蝕性介質(zhì)和背火面管壁受到的拉應(yīng)力,兩者長(zhǎng)期作用在背火面內(nèi)壁形成點(diǎn)腐蝕,繼而萌生裂紋,不斷擴(kuò)展,最終從外壁貫穿。

        對(duì)于過熱管背火面的應(yīng)力分析可知,過熱管背火面管壁整體受到的是拉應(yīng)力,但外壁受到的拉應(yīng)力要大于內(nèi)壁的拉應(yīng)力,而裂紋之所以是從內(nèi)壁起始是由于管內(nèi)介質(zhì)所攜帶的腐蝕性離子與應(yīng)力疊加的結(jié)果。因此,可以加強(qiáng)對(duì)水質(zhì)控制的管理,盡可能減少Cl-等腐蝕性離子的危害,同時(shí)還可以排查相關(guān)爐管是否受到異常機(jī)械應(yīng)力或結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的影響,避免爐管長(zhǎng)期處于異常的應(yīng)力狀態(tài)下服役。

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