賀建平,高 琨,李元翔,裴博文,袁晉雄,王德龍,王秀財

(1.國家能源集團山西電力有限公司, 山西 太原 030000; 2.神華神東電力山西河曲發(fā)電有限公司, 山西 忻州 036500)

鍋爐是火電廠重要設備之一,其主要工作原理是利用燃料燃燒放熱,加熱水等介質。鍋爐的主要結構為各級受熱面,因此受熱面(過熱器、再熱器、水冷壁和省煤器)的爆管失效是最常見的故障,是鍋爐安全運行的最大隱患[1-3]。對于高溫對流受熱面,尤其是高溫過熱器,由于管內流動的工質壓力高、管外煙氣溫度高,因此通常的管材不合格、超溫運行、溫度偏差等原因均可引起高溫過熱器的爆管[4-9]。本文對某循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器爆管失效的原因進行了分析,并提出解決辦法,為國內其他鍋爐同類型問題解決提供借鑒。

1 爆管情況介紹

該流化床鍋爐為單爐膛M型布置、平衡通風、一次中間再熱、全緊身封閉、循環(huán)流化床燃燒方式,采用高溫冷卻式旋風分離器進行氣固分離,鍋爐整體支吊在鍋爐鋼架上。BMCR工況時主蒸汽流量為1 150 t/h,壓力為25.4 MPa、溫度為571 ℃。

該鍋爐高溫過熱器垂直布置在爐膛內,共6屏,每個管屏43根換熱管,各換熱管之間通過鰭片互相連接。換熱管的材料為TP347HFG和T91,直徑為63.5 mm,厚度為11.5 mm。連接換熱管的鰭片為06Cr19Ni10鋼材。發(fā)生爆管泄露的換熱管材質為TP347HFG,位于第3屏第9根管子。爆口標高約47 m,爆口的現(xiàn)場形貌見圖1。爆口附近的第2屏水冷壁和中級過熱器第1屏數(shù)根換熱管也被吹損。

圖1 爆口現(xiàn)場形貌

2 爆管原因分析

2.1 爆口開裂面形貌觀察

爆管后,取得爆管段和爆管后吹損段樣品,并分別記為1號樣品和2號樣品。

1號樣品爆口開裂面的形貌見圖2,包括宏觀形貌和不同倍率的掃描電鏡形貌。

圖2 爆口開裂面的宏觀和電鏡下形貌(清洗后)

由圖2可見,換熱管的外壁面處開始形成開裂,并逐漸向換熱管的內壁面延伸。爆管位置的分裂處,靠近管子內壁面的位置有小塊區(qū)域形貌為韌窩狀,其他多數(shù)位置均為方塊狀的沿晶體分裂。

2.2 開裂面能譜成分分析

對斷口開裂面和帶尖端沿晶裂紋的金相樣進行能譜成分分析,結果顯示,管子的爆口部分位置存在硫元素,個別點的硫元素高達12.20%,沿晶體分裂處部分點也存在硫元素。

表1 開裂面和金相樣能譜測試結果 %

2.3 化學成分分析

在1號樣品管子母材上以及鰭片的母材上各制取1份成分樣,并對其成分進行了化驗,并對1號樣品角焊縫的局部位置進行了能譜成分分析,結果表明,1號樣品管子的母材成分分析結果符合ASME SA213的要求,1號樣品鰭片母材成分分析結果符合GB 24511的要求,1號樣品上的2個角焊縫能譜成分結果與質量證明書中的要求相符。

2.4 拉伸試驗

在2個樣品管子母材兩側各取1個縱向方向的拉伸樣品,并按GB/T 228.1在室溫下進行拉伸試驗,結果見表2。由表2可見,2個樣品室溫下的規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度和斷后伸長率符合ASME SA213的要求。

表2 樣品的拉伸試驗結果(室溫)

2.5 壓扁試驗

在2個樣品各制取3個壓扁試樣,1個拉伸側為母材外壁、1個拉伸側為去除鰭片外壁,1個拉伸側為帶鰭片外壁,按照GB/T 246進行第一步壓扁試驗,形貌見圖3(從左向右依次為管子、去除鰭片、帶鰭片三種狀態(tài))。由圖3可見,6個試樣在3點和9點部位均未見帶金屬光澤的裂縫和裂口,2個樣品的壓扁試驗結果符合ASTM A450的規(guī)定,鰭片部位的變形能力良好。

圖3 壓扁試樣形貌

2.6 晶間腐蝕試驗

在2個樣品上各制取6個晶間腐蝕試樣,其中管子母材外彎、背彎各1個,去除鰭片后外彎、背彎各1個,帶鰭片外彎、背彎各1個,未經敏化處理,按照GB/T 4334中的方法E(不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗)進行晶間腐蝕試驗,試驗后,將其中一個試樣正向彎曲180°,另一個試樣反向彎曲180°,結果見圖4(從左向右依次為管子外彎、管子背彎、帶鰭片縱向外彎、去除鰭片縱向背彎、帶鰭片環(huán)向外彎、去除鰭片環(huán)向外彎)。由圖4可見,1號樣品母材背彎試樣有晶間腐蝕裂紋,2號樣品母材試樣未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋;2個樣品去除鰭片和帶鰭片的鰭片部位對晶間腐蝕結果無明顯影響。

圖4 晶間腐蝕試樣形貌

2.7 維氏硬度試驗

在2個樣品上各制取1個環(huán)向硬度試樣,按照GB/T 4340進行韋氏硬度試驗,試驗結果顯示,2個樣品的管子母材的硬度值滿足ASME SA213和DL/T 438對TP347HFG新管的要求,2個樣品鰭片的母材的硬度值滿足GB24511對06Cr19Ni10的新材料要求,2個樣品的角焊縫的硬度值滿足DL/T 869的要求,2個樣品角焊縫熔合線和熱影響區(qū)的硬度值未見異常。

2.8 金相試驗

在1號樣品管子的爆裂位置的中部及尖端分別取樣,并制作1個環(huán)向金相樣品,記為1-1、1-2;在2號樣品管子存在線性缺陷顯示部位制取1個環(huán)向金相樣品,記為2號,并通過光學顯微鏡,對其金相組織進行觀察,參照DL/T 1422對管子母材金相老化程度進行評級,形貌見圖5～圖7。由圖5～圖7可見:

配套服務企業(yè)包括物流包裝生產制造企業(yè)、農資企業(yè)、農機企業(yè)等等，服務于種植戶、物流等對象，系統(tǒng)模塊可以用于信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集等。

圖5 1-1號試樣(取自1號樣品爆口中部環(huán)向)金相形貌

圖7 2-1號試樣(取自2號樣品環(huán)向)金相形貌

(1)1號樣品爆裂位置的邊緣處存在少部分沿晶開裂,爆裂位置的尖端,存在比較明顯、數(shù)量較多的沿晶裂紋;2號樣品線性缺陷顯示部位為一條深度為0.1 mm 左右的沿熔合線擴展狀的裂紋,且肉眼可見裂紋內有殘留物。

(2)2個樣品管子母材的顯微組織都是奧氏體,晶粒度均為8～9級,組織老化均為1.5級。從結果來看,兩個樣品管子的晶粒度均符合GB 5310的要求。2個樣品的鰭片母材的顯微組織均為奧氏體,晶粒度為4～5級,組織和晶粒度未發(fā)現(xiàn)明顯異常。2個樣品的角焊縫組織未發(fā)現(xiàn)異常。

3 綜合分析

3.1 樣品材質分析

由以上試驗分析可知:

(1)樣品管子母材的化學成分、規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率、維氏硬度、壓扁試驗和金相組織符合標準的要求或未見異常;組織老化1.5級、未見過熱;1號樣品管子母材具有輕度晶間腐蝕傾向,2號樣品管子母材無晶間腐蝕傾向。

(2)樣品鰭片母材的化學成分、維氏硬度、壓扁試驗和金相組織符合標準的要求或未見異常;組織未見老化;1號樣品鰭片母材具有輕度晶間腐蝕傾向,2號樣品母材鰭片無晶間腐蝕傾向。

(3)樣品角焊縫外觀質量不佳,存在焊縫邊緣圓滑過渡不佳和小凹坑;樣品角焊縫的能譜成分、維氏硬度、壓扁試驗和金相組織符合標準的要求或未見異常。

綜上所述,2個樣品角焊縫外觀質量不佳,存在焊縫邊緣圓滑過渡不佳和小凹坑;2個樣品角焊縫其他檢驗結果及管子母材與鰭片母材的各項檢驗結果符合標準要求或未見明顯異常。

3.2 斷裂原因分析

由以上試驗結果可見:

(1)1號樣品鰭片對應處的管子內徑均略小于爐左右側,差值在0.63～0.77 mm,管徑未見脹粗。

(2)1號樣品爆口緊鄰鰭片角焊縫縱向開裂,爆口略有張口(6.01 mm),爆口外壁長度(146.36 mm)大于內壁(119.56 mm),爆口邊緣壁厚未見明顯減薄。2號樣品外壁滲透檢測后可見緊鄰鰭片角焊縫部位存在一處長約10 mm的線性缺陷顯示,其截面深約0.1 mm。

(3)1號樣品爆口邊緣可見少量沿晶開裂形態(tài),爆口尖端可見明顯的沿晶裂紋;2號樣品線性缺陷顯示部位為一條深約0.1 mm的沿熔合線擴展的裂紋,裂紋內存在一些物質。

(4)爆口開裂面大部分區(qū)域微觀形貌為呈冰糖塊狀的沿晶開裂,僅緊鄰內壁有一窄條區(qū)域為韌窩。

(5)爆口開裂面和沿晶裂紋內含有少量腐蝕性元素硫。

根據(jù)以上基本特征,判斷樣品的爆管類型為應力腐蝕。

管材若發(fā)生應力腐蝕開裂,需具備三個條件:①材料的應力腐蝕敏感性、特定腐蝕環(huán)境和拉伸應力。奧氏體不銹鋼為應力腐蝕敏感材料,由本文前述能譜分析結果可知,硫是引起腐蝕的主要腐蝕介質。②而引起管材爆裂的應力因素主要來自管屏整體的熱脹應力和角焊縫的焊接殘余應力,而熱脹應力是在運行過程中由于受熱不均而產生的,本次高溫過熱器管材爆裂的主要原因即為應力因素。③角焊縫外觀成形有缺陷,對于爆管也起加速作用。

根據(jù)管材爆裂部位的開裂面斷裂機制,可推斷,高溫過熱器管材在運行過程中,過角焊縫與管子母材的結合部位由于受熱不均,產生較大的熱脹應力,同時煙氣中的硫元素對爆裂點產生腐蝕作用,爆裂部位產生應力腐蝕沿晶微裂紋,且這些裂紋不斷向爆裂的管材內部沿晶擴展,最后在高溫過熱器內部的高壓作用下發(fā)生失穩(wěn)擴展縱向韌性爆裂,導致蒸汽泄漏。

4 結論與建議

該循環(huán)流化床鍋爐的高溫過熱器的管材爆裂的主要原因為應力腐蝕,導致產生應力腐蝕的主要原因為管屏在運行過程中受熱不均,產生了較大的熱脹應力,此外還有角焊縫的焊接殘余應力。角焊縫外觀成形缺陷對于爆管起加速作用。建議對該循環(huán)流化床鍋爐的高過管屏角焊縫部位進行探傷,若發(fā)現(xiàn)焊接缺陷,應及時消除。同時,應采取降低管屏熱脹應力的措施,如可將管屏沿中部鰭片縱向切開等。本項目的研究過程和結果可為國內外同類鍋爐機組高溫過熱器的爆管分析及預防提供參考。