宋 玉,于 鑫,王 魯,楊文濤,祖平文

(華電電力科學(xué)研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

0 引言

隨著“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)不斷推進(jìn),加速構(gòu)建新型電力系統(tǒng)已成為重塑能源體系的根本路徑。風(fēng)電、太陽能等新能源快速發(fā)展決定了“兜底保障”的煤電機(jī)組加速向調(diào)峰調(diào)頻基礎(chǔ)性電源轉(zhuǎn)型[1]。煤電機(jī)組在參與調(diào)峰過程中長期處于變工況運(yùn)行,調(diào)停次數(shù)和備用時間顯著增加[2]。做好鍋爐變工況運(yùn)行和啟停機(jī)期間受熱面保護(hù),防止各種形式的機(jī)組泄漏停機(jī),已成為火電廠金屬監(jiān)督重要內(nèi)容。

鍋爐受熱面管失效是影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。鍋爐部件長時間在高溫、高壓下運(yùn)行,其組織性能隨著時間會出現(xiàn)劣化。長期運(yùn)行的鍋爐受熱面管存在不同形式損傷,一般包括蠕變、疲勞、腐蝕、磨損等,而在實(shí)際工況下更常見的是幾種失效機(jī)制同時存在[3]。鍋爐受熱面管失效分析已成為保障煤電機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行重要手段。

目前,許多學(xué)者針對鍋爐受熱面管失效分析展開研究。趙煒煒等[4]對某電廠670 t/h鍋爐改造后低溫再熱器出現(xiàn)泄漏進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)由于改造增加U型彎而造成G102長期超溫運(yùn)行泄漏。黃權(quán)浩等[5]對某300 MW機(jī)組鍋爐運(yùn)行和停備用期間低溫再熱器管受熱面向火側(cè)腐蝕情況進(jìn)行分析,得出低溫再熱器管壁出現(xiàn)大面積點(diǎn)腐蝕坑原因是停爐保護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致氧腐蝕。付坤等[6]對電站鍋爐15CrMoG耐熱鋼高溫過熱器爆管進(jìn)行失效分析,發(fā)現(xiàn)珠光體球化,力學(xué)性能尤其抗拉強(qiáng)度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求是導(dǎo)致爆管失效主要原因。張山山等[7]通過對T91鋼鍋爐高溫過熱器氧化皮保護(hù)性能失效進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)氧化層結(jié)構(gòu)和保護(hù)性能主要受2種不同氧化機(jī)理影響,而管材超溫運(yùn)行的化學(xué)本質(zhì)就是氧化,超溫即是加氧。趙敏等[8]研究了某高溫過熱器爐管爆管失效原因是長期過熱引起高溫蠕變開裂。

某亞臨界鍋爐型號為HG-1065/18.5-YM1,在后豎井煙道內(nèi)布置有低溫過熱器,過熱器由包墻管低溫過熱器、過熱器后屏及末級過熱器等組成。機(jī)組累計運(yùn)行69 475 h,啟停70次。在其運(yùn)行過程中出現(xiàn)管道蒸汽泄漏現(xiàn)象,停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)1根包墻過熱器管和3根低溫過熱器管發(fā)生泄漏。

1 爆管分析

1.1 泄漏現(xiàn)場分析

對本次泄漏區(qū)域現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),鍋爐標(biāo)高40 m處包墻過熱器鰭片焊縫和低溫過熱器共4根管子有泄漏點(diǎn)和爆口。泄漏區(qū)域位置如圖1所示,泄漏管段材質(zhì)規(guī)格如表1所示。

表1 泄漏管段材質(zhì)規(guī)格

圖1 泄漏區(qū)域位置

1.2 包墻過熱器爆管分析

對爆管檢查發(fā)現(xiàn),29號包墻過熱器管向火側(cè)鰭片焊縫上有約6 mm×3 mm不規(guī)則泄漏點(diǎn),如圖2所示。漏點(diǎn)邊緣粗糙,漏點(diǎn)附近鰭片焊縫表面存在塌陷且無明顯吹掃痕跡,判斷該泄漏點(diǎn)非磨損漏點(diǎn)。該漏點(diǎn)上有明顯褐色腐蝕物,發(fā)生泄漏時間已久,為第一泄漏點(diǎn)。

圖2 29號泄漏管段宏觀形貌

管壁厚度測量結(jié)果如表2所示,在泄漏點(diǎn)附近100 mm區(qū)域選取5個位置進(jìn)行測量,得到管壁厚度平均值為4.799 mm,與設(shè)計值5 mm相比未見明顯差異。

表2 29號管壁厚度 單位:mm

割管檢查內(nèi)壁發(fā)現(xiàn):泄漏處管壁內(nèi)部有明顯燒穿痕跡,管道內(nèi)壁漏點(diǎn)處存在1～2 mm焊疤、未熔合等典型焊接燒穿缺陷,燒穿部位管壁內(nèi)有大量焊接飛濺及熔融物。查閱資料發(fā)現(xiàn),該部位未進(jìn)行過換管,因此29號管泄漏原因?yàn)榛ㄆ诤腹げ僮鞑划?dāng)或焊接工藝選擇不當(dāng)造成鰭片焊接時焊接電流過大,電弧在焊縫處停留過久,熔池過熱產(chǎn)生燒穿缺陷。在長時間熱應(yīng)力作用下,導(dǎo)致管子承溫承壓能力降低,焊接缺陷處發(fā)生泄漏。

1.3 低溫過熱器爆管分析

圖3(a)為低溫過熱器35-1管上約110 mm×95 mm不規(guī)則爆口,其邊緣鋒利,邊緣有明顯吹掃減薄痕跡,沿管徑方向開裂成喇叭口,表面未見明顯脹粗,管段外部區(qū)域也有吹損減薄痕跡。圖3(b)為低溫過熱器35-3管上約35 mm×16 mm不規(guī)則爆口,其邊緣鋒利,沿管徑方向開裂成喇叭口,無明顯脹粗,形貌與35-1管爆口相似,同時該爆口有卷邊現(xiàn)象。對35-1管爆口、35-3管爆口處內(nèi)壁檢查發(fā)現(xiàn),其表面光滑,呈鐵灰色,未見明顯腐蝕產(chǎn)物。結(jié)合管段位置初步判斷:29號管泄漏汽水介質(zhì)向其斜下方約400 mm的35-1管爆口處吹掃,35-1管爆口處局部吹損減薄至強(qiáng)度不能承受內(nèi)部壓力形成爆口泄漏,受爆破反作用力影響,35-1管爆口處管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,朝斜上方對35-3管爆口處吹掃,使其損傷形成爆口。

(a)35-1號泄漏管

繼續(xù)檢查發(fā)現(xiàn),圖3(c)為低溫過熱器38-1管上左側(cè)存在一處約220 mm×130 mm不規(guī)則爆口,該爆口邊緣鋒利,呈喇叭狀,表面有明顯吹掃減薄痕跡,未見明顯脹粗。但該爆管右側(cè)存在另一處約115 mm×40 mm爆口,無明顯變形脹粗,斷面整齊,有撕裂痕跡,呈開天窗狀,具有脆性斷裂特征。2個爆口之間存在2條總長170 mm貫穿焊縫相連的縱向裂紋。與35-3管爆口處類似,左側(cè)由35-1管爆口吹損形成。與此同時,右側(cè)爆口則為脆性斷裂爆口,其形成原因尚不明確,對該爆口現(xiàn)場取樣進(jìn)行組織形貌和力學(xué)性能分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)材料及方法

送檢低溫過熱器泄漏管段宏觀形貌如圖4所示。爆口圖4(a)左端形狀較尖銳,右端形狀相對圓潤,斷面局部有明顯由尖銳側(cè)向圓潤側(cè)擴(kuò)展紋路。尖銳側(cè)尖端位置有一條縱向貫穿母材焊縫的裂紋如圖4(b)所示。爆口附近無明顯吹損減薄情況,爆口斷面平齊、粗鈍,呈窗口狀脆性斷裂。

(a)送檢爆口

依照DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》制備金相試樣,依次用200號、600號、800號、1000號砂紙預(yù)磨,機(jī)械拋光后經(jīng)4 %硝酸酒精溶液腐蝕后,在Leica DMI LM光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。使用FEI Quanta 650 FEG熱場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察爆口斷面形貌。按照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》,在HB-3000C型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上對樣品進(jìn)行布氏硬度測試,壓球直徑為2.5 mm,試驗(yàn)載荷為1839 N,保持時間為12 s,試驗(yàn)溫度為25 ℃。依照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,在SANS CMT 5205型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。

2.2 組織形貌分析

圖5為爆口處、裂紋處金相組織形貌。爆口附近及爆口對側(cè)金相組織均為鐵素體加珠光體,珠光體形態(tài)完整,組織未見異常,球化為2.5級,爆口邊緣未見明顯內(nèi)壁氧化層,屬于正常汽水氧化痕跡。裂紋附近及裂紋對側(cè)金相組織為鐵素體加珠光體,球化為2.5級,裂紋邊緣也未見明顯氧化層及脫碳層,顯微組織和球化級別均滿足DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求,管子無超溫過熱現(xiàn)象。爆口邊緣珠光體數(shù)量少,裂紋對側(cè)珠光體形態(tài)不完整,與其他區(qū)域珠光體帶狀組織相比,爆口邊緣整體區(qū)域、裂紋對側(cè)局部區(qū)域珠光體條狀組織相對稀疏、珠光體數(shù)量明顯減少,如圖5(c)和(e)所示。

(a)爆口附近

圖6為爆口斷面形貌。由斷口宏觀形貌圖6(a)可見斷面嚴(yán)重腐蝕,斷面存在大量黃褐色和磚紅色腐蝕產(chǎn)物。圖6(b)為斷面腐蝕微觀形貌,斷面上存在深度不等的腐蝕坑及大小不一的腐蝕產(chǎn)物,局部銹蝕嚴(yán)重。圖6(c)表明斷口擴(kuò)展路徑是由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展,圖6(d)—(f)為不同區(qū)域斷口形貌。纖維區(qū)和擴(kuò)展區(qū)未見明顯韌窩特征,具有脆性斷裂特征,斷口上具有顯微孔洞及烏鴉爪狀花樣形貌特征。裂源在斷口次表面成核,斷口存在一定程度韌性,瞬斷區(qū)表層斷口出現(xiàn)拉長韌窩花樣特征的機(jī)械撕裂形貌[9]。

2.3 力學(xué)性能分析

對爆口處、裂紋處及遠(yuǎn)端處進(jìn)行布氏硬度測試,結(jié)果如表3所示,測點(diǎn)硬度值均符合ASTM A210/A210M—19標(biāo)準(zhǔn)要求,爆口處、裂紋處硬度平均值與遠(yuǎn)端處相近,證明管子未發(fā)生明顯性能老化。對管段進(jìn)行室溫拉伸性能檢測結(jié)果如表4所示,向火側(cè)、背火側(cè)試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均符合ASTM A210/A210M—19標(biāo)準(zhǔn)要求,背火側(cè)拉伸率符合標(biāo)準(zhǔn)要求,向火側(cè)拉伸率接近標(biāo)準(zhǔn)要求下限值,室溫拉伸結(jié)果表明,管子未出現(xiàn)明顯性能老化。

表3 布氏硬度檢測結(jié)果 單位:HBW

表4 室溫拉伸性能檢測結(jié)果

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)分析可知:吹損爆口和窗口狀脆性爆口通過縱向貫穿母材焊縫的裂紋相連。脆性爆口左端較尖銳,右端相對圓潤,爆口附近無明顯吹損減薄、脹粗和變形,爆口斷面平齊、粗鈍。爆口邊緣整體區(qū)域、裂紋對側(cè)局部區(qū)域珠光體條狀組織相對稀疏、珠光體數(shù)量明顯減少。爆口斷面存在嚴(yán)重腐蝕,具有脆性斷裂特征。爆口處、裂紋處硬度符合標(biāo)準(zhǔn),室溫拉伸結(jié)果表明,管子未出現(xiàn)明顯性能老化。

本次爆管擴(kuò)展過程如圖7所示。左側(cè)喇叭狀爆口由35-1號爆口吹損所致,喇叭狀爆口尖端作為右側(cè)爆口起裂源,裂紋快速向焊縫擴(kuò)展,在焊縫處沿著焊縫根部區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)展,穿過焊縫擴(kuò)展至管段右側(cè),隨后裂紋分叉成2路繼續(xù)擴(kuò)展,當(dāng)擴(kuò)展到一定程度,管道內(nèi)應(yīng)力超過材料承壓能力,管道被掀開形成窗口狀脆性爆口。

圖7 爆管擴(kuò)展過程

爆口無明顯吹損減薄,斷面平齊、粗鈍,呈窗口狀脆性斷裂。爆口斷面嚴(yán)重腐蝕,表面存在大量黃褐色和磚紅色腐蝕產(chǎn)物,可能為Fe2O3引發(fā)的氫腐蝕。微觀形貌存在深度不等的腐蝕坑及大小不一的腐蝕產(chǎn)物,局部銹蝕嚴(yán)重,斷口上具有顯微孔洞及烏鴉爪狀花樣形貌特征,可能為氫引發(fā)的脆性斷裂[10],瞬斷區(qū)表層斷口出現(xiàn)拉長韌窩花樣特征。宏觀和微觀形貌是典型氫損傷形貌。力學(xué)性能結(jié)果證明管子未發(fā)生明顯性能老化。爆口附近及對側(cè)金相組織均為鐵素體加珠光體,爆口處珠光體條狀組織相對稀疏、珠光體數(shù)量明顯減少。裂紋擴(kuò)展到焊縫后,在焊縫處沿著焊縫根部區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)展,貫穿焊縫后分叉成2路繼續(xù)擴(kuò)展。在裂紋擴(kuò)展過程中,焊縫根部和分叉區(qū)域均為薄弱區(qū)域。當(dāng)焊接質(zhì)量不佳時,在焊縫根部凹陷區(qū)域容易聚集蒸汽中Cl-和H+,而在焊縫內(nèi)部凸起部位,由于內(nèi)徑減小,其后管子表面容易析出溶解鹽沉積物[11]。管子內(nèi)壁不光滑,存在凹坑、劃痕、凸起等缺陷也會加速氫腐蝕。

綜合以上形貌、組織和焊接因素,窗口狀脆性爆口形成原因?yàn)闅涓g。當(dāng)鍋爐汽水品質(zhì)不佳或管內(nèi)結(jié)垢時,蒸汽中Cl-隨著氧化鐵和銹蝕產(chǎn)物沉積在管子內(nèi)表面垢層中,會生成比較疏松、附著性差的Fe2O3和FeO[12],阻礙形成連續(xù)致密氧化鐵膜,從而在腐蝕陽極區(qū)起到加速腐蝕作用。在管子對接焊縫熱影響區(qū),容易發(fā)生組織局部變化,在鍋爐運(yùn)行和停用期間,當(dāng)汽水質(zhì)量不佳時,如果管子內(nèi)部濕度變大,這些組織變化部位將成為電化學(xué)腐蝕陽極,其他金屬表面為陰極,發(fā)生腐蝕時,腐蝕陽極部位將加速點(diǎn)蝕。

3 結(jié)論

a.吹損爆口和窗口狀脆性爆口通過縱向貫穿母材焊縫的裂紋相連。爆口無明顯吹損減薄,斷面平齊、粗鈍,呈窗口狀脆性斷裂。爆口處珠光體條狀組織相對稀疏、珠光體數(shù)量明顯減少,管子未出現(xiàn)明顯性能老化。

b.本次低溫過熱器泄漏失效原因是吹損爆口裂紋擴(kuò)展到焊縫后,在焊縫處沿著焊縫根部區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)展,貫穿焊縫后分叉成2路繼續(xù)擴(kuò)展。窗口狀脆性爆口形成原因?yàn)闅涓g。焊接質(zhì)量不佳和管子內(nèi)部缺陷區(qū)域?yàn)橐装l(fā)生氫腐蝕薄弱區(qū)域。

c.應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)督,機(jī)組啟動階段要嚴(yán)把水汽質(zhì)量關(guān),運(yùn)行階段要嚴(yán)格控制水汽品質(zhì),同時加強(qiáng)停爐期間受熱面管防護(hù)工作。