燃煤電廠非受監(jiān)金屬部件失效案例及原因分析

繆春輝, 湯 泉, 張 濤, 陳國宏, 王若民

(1. 國網(wǎng)安徽省電力公司 電力科學研究院, 合肥 230601; 2. 安徽大學 生命科學學院, 合肥 230601)

實踐經(jīng)驗

燃煤電廠非受監(jiān)金屬部件失效案例及原因分析

繆春輝1, 湯 泉2, 張 濤1, 陳國宏1, 王若民1

(1. 國網(wǎng)安徽省電力公司 電力科學研究院, 合肥 230601; 2. 安徽大學 生命科學學院, 合肥 230601)

通過對火力發(fā)電廠數(shù)起非受監(jiān)金屬部件失效案例的介紹以及分析，總結了該類金屬部件失效的常見原因和改進措施。結果表明：熱處理工藝問題、設計問題、維護問題以及焊接問題等是導致該類金屬部件失效的主要原因，可通過在采購、安裝、驗收等環(huán)節(jié)加強監(jiān)督來降低該類金屬部件的失效。

燃煤電廠;非受監(jiān)金屬部件;失效

長期以來，由于失效而導致火電機組非計劃停機(非停)或降負荷運行的金屬部件主要集中在受熱面管(水冷壁管、過熱器管、再熱器管以及省煤器管)、汽水集箱及管道、汽輪機和發(fā)電機的金屬材料以及高溫緊固件等[1]，DL/T 438-2009《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》[2]適用范圍也限于此。近年來，隨著金屬技術監(jiān)督工作的科學化和系統(tǒng)化，由于受監(jiān)金屬部件失效而導致機組非停的頻次逐年降低。

在此背景之下，不在DL/T 438-2009適用范圍之內(nèi)的非受監(jiān)金屬部件的失效愈發(fā)顯得突出[3-5]。此類部件諸如閥桿、磨煤機齒輪、冷渣器矛管、旋風分離器中心筒等，由于長期監(jiān)督缺失，且定期檢驗標準仍處于空白階段，但又承受復雜載荷或高溫高壓，所以失效風險往往較高。此類部件的失效同樣會導致相應機組的停機停爐或降負荷運行，由此帶來的經(jīng)濟損失以及對電網(wǎng)的沖擊同樣不可忽視。

為此，筆者列舉了數(shù)例此類失效案例，分析了各案例的失效原因，并總結了減少該類失效發(fā)生的措施，以供參考。

1 失效案例

1.1 某電廠主汽閥閥桿斷裂失效

某電廠600 MW超臨界機組投產(chǎn)運行約4×104h后2號主汽閥閥桿發(fā)生斷裂，該閥桿中心開孔，表面滲氮處理，材料為2Cr12NiMo1W1V鋼，斷于十字相交的排氣孔處，如圖1(a)所示。斷口表面雖然已發(fā)生氧化，但在掃描電子顯微鏡(SEM)下仍然可以分辨出冰糖狀的沿晶斷裂特征，斷口附近幾乎沒有塑性變形，且在斷口上未發(fā)現(xiàn)起裂源，具有一次性過載引起的脆性斷裂特征，如圖1(b)所示。

圖1 閥桿斷口形貌Fig.1 Fracture morphology of the valve stem:(a) macro morphology; (b) SEM morphology

對該閥桿取樣進行金相檢驗，基體顯微組織為板條狀的回火馬氏體，晶界有明顯的碳化物析出，見圖2(a)中箭頭所指處。斷口經(jīng)打磨、拋光并侵蝕后光學顯微鏡下觀察可見與脆性晶界碳化物分布高度重合的微裂紋，如圖2(b)所示。

圖2 閥桿顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the valve stem:(a) the matrix; (b) the fracture position

在金相試樣表面進行硬度試驗[6]，基體硬度為266 HB，低于DL/T 438-2009[2]技術要求的下限硬度277 HB。沿閥桿縱向采用線切割的方式加工標準沖擊試樣[7]，測得沖擊吸收能量AK=10 J，低于GB/T 20410-2006[8]對該材料的技術要求(≥11 J)。

綜上可以推斷，由于過回火使得閥桿基體中沿晶界析出碳化物，使得材料晶界弱化、硬度降低的同時抵御沖擊載荷的能力也下降，最終導致閥桿在服役過程中的沖擊載荷作用下于晶界處萌生微裂紋，微裂紋沿脆性碳化物擴展并導致閥桿斷裂，而結構最為薄弱的排氣孔處優(yōu)先發(fā)生斷裂失效。

1.2 某電廠磨煤機齒輪掉塊失效

某電廠600 MW超臨界機組配有4臺鋼球磨煤機，其大齒輪材料為35Cr1Mo鋼，使用約6×104h后發(fā)現(xiàn)其中一臺磨煤機有異響，停機檢查發(fā)現(xiàn)該磨煤機大齒輪上有兩只齒出現(xiàn)缺口，發(fā)生了掉塊失效，如圖3(a)所示。

圖3 失效齒輪宏觀形貌和嚙合面處顯微組織形貌Fig.3 The (a) macro morphology of the failure gear and(b) microstructure morphology of the meshing surface

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)裂紋起始點有密集氣孔，嚙合面上有大量接觸疲勞孔洞，對其他齒根進行滲透檢測，共發(fā)現(xiàn)6處裂紋。對脫落的金屬塊進行了金相檢驗，如圖3(b)所示。齒輪表面顯微組織為鐵素體+珠光體，硬度為152 HB，與設計要求的表面硬度250 HB相差較大。推測該齒輪未進行表面淬火+回火處理，表層顯微組織并非強度和耐磨性能更好的回火索氏體，硬度偏低導致齒輪在服役過程中發(fā)生接觸疲勞掉塊失效，而存在鑄造缺陷的位置最先失效。

1.3 某電廠冷渣器錐形閥矛管開裂失效

某電廠330 MW循環(huán)流化床機組冷渣器錐形閥矛管(該管道內(nèi)部為冷卻水，外部為冷卻灰渣)在投產(chǎn)2.2×104h后表面出現(xiàn)叢狀裂紋，如圖4(a)所示。矛管材料為1.4845不銹鋼(德國牌號)，規(guī)格為φ135 mm×3 315 mm。

外觀檢查發(fā)現(xiàn)該矛管表面部分區(qū)域存在結灰，裂紋走向與結灰區(qū)邊界垂直，金相檢驗發(fā)現(xiàn)裂紋為穿晶性質，垂直表面由外向內(nèi)擴展，外表面裂紋周圍無晶粒脫落或其他走向的微裂紋，如圖4(b)所示。

矛管表面結灰表明此處灰渣流動速率較低，因此結灰區(qū)溫度較低，加之結灰后影響熱傳導，溫度梯度形成后產(chǎn)生熱應力拉裂矛管表面。經(jīng)核查，矛管結灰的原因是在此之前該冷渣器偶爾存在物料堵塞現(xiàn)象，然而運行人員并未重視，最終引發(fā)矛管開裂失效。

1.4 某電廠旋風分離器中心筒脫落失效

某電廠300 MW循環(huán)流化床機組，2013年針對旋風分離器中心筒進行技術改造，改造后使用約6×103h后兩只中心筒沿從上往下數(shù)第一道環(huán)焊縫處發(fā)生脫落，脫落的筒體堵塞旋風分離器，引起爐膛內(nèi)空氣動力場紊亂，水冷壁后墻大面積磨損并發(fā)生爆管。

旋風分離器中心筒采用鑄造板材經(jīng)手工電弧焊焊接而成，板材牌號為TP310S不銹鋼，焊條為A402不銹鋼。TP310S不銹鋼適用溫度可達1 200 ℃，因鎳、鉻含量高，具有良好的耐氧化、耐腐蝕、耐酸堿以及耐高溫性能，但當其使用溫度高于800 ℃后，材料會發(fā)生軟化，其在800 ℃和825 ℃下的許用應力分別為1.73 MPa和1.20 MPa。

由圖5可見，在此溫度和強度下中心筒的母材以及焊縫均出現(xiàn)大量早期蠕變孔洞。該中心筒實際使用溫度約950 ℃，根據(jù)計算，第一道環(huán)焊縫附近的拉應力約為0.49 MPa。950 ℃下，TP310S不銹鋼的許用應力文獻標準不可查，但可以確定相比825 ℃時的許用應力1.20 MPa更小，拉應力0.49 MPa接近許用應力是導致其產(chǎn)生早期蠕變孔洞的原因。

圖5 中心筒顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the central cylinder:(a) the base material; (b) the weld seam

圖6 脫落焊縫宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of the fractured weld seam

此外，該中心筒第一道環(huán)焊縫存在嚴重的焊接缺陷，如圖6所示，未熔合長度約為環(huán)焊縫周長的1/3,寬度約為板材厚度的1/2。因此,有效承載面積不足是導致該中心筒沿第一道環(huán)焊縫脫落的另一個重要原因。

2 分析與討論

總結上述非受監(jiān)金屬部件失效的主要原因如下。

一是熱處理工藝問題，熱處理溫度、時間控制出現(xiàn)異?；蚰承┕ば虮缓雎?，導致材料不能滿足設計要求，致使部件在后期運行過程中出現(xiàn)故障。

二是設計問題，產(chǎn)品設計時對溫度、受力等條件考慮不足，過分重視經(jīng)濟因素，選材等級偏低，導致部件早期失效。

三是維護問題，對設備使用過程中發(fā)現(xiàn)的安全隱患未能充分認識或不及時處理，致使部件缺陷未能被及時發(fā)現(xiàn)和消除。

四是焊接問題，不按焊接工藝卡施焊，為了焊接效率任意選擇線能量，焊前預熱或焊后熱處理不規(guī)范以及不進行焊接質量檢查，是導致此類金屬部件失效的常見原因。

非受監(jiān)金屬部件的失效大多可以通過在采購、安裝、驗收、使用等環(huán)節(jié)加強監(jiān)督從而有效避免，火力發(fā)電廠金屬專工如能積極參與此類非受監(jiān)金屬部件的全過程管理，加強焊接過程的管理和焊接質量的檢驗，針對失效可能性較大的金屬部件建立檢驗制度，此類金屬部件的失效必能得到有效控制。

3 結束語

導致燃煤電廠非受監(jiān)金屬部件失效的原因主要有熱處理工藝問題、設計問題、維護問題、焊接問題等幾個方面，大多可以通過在采購、安裝、驗收、使用等環(huán)節(jié)加強監(jiān)督來避免該類金屬部件的失效。

[1] 張學星,譚曉霞,曾凡偉,等.亞臨界鍋爐前墻吊掛管爆管原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(4):270-273,277.

[2] DL/T 438-2009 火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程[S].

[3] 李海霞,張小伍,王梅英,等.某電廠軸承彈簧斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(11):817-819.

[4] 張濤,高云鵬,田峰,等.電站汽動給水泵0Cr13Ni4Mo不銹鋼主軸斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(10):725-729.

[5] 萬瑜,楊超,李燁.超超臨界鍋爐撈渣機圓環(huán)鏈斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(7):493-496.

[6] GB/T 231.1-2009 金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法[S].

[7] GB/T 229-2007 金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法[S].

[8] GB/T 20410-2006 渦輪機高溫螺栓用鋼[S].

Failure Cases and Reasons Analysis of Non-supervised Metallic Parts in Coal-fired Power Plants

MIAO Chun-hui1, TANG Quan2, ZHANG Tao1, CHEN Guo-hong1, WANG Ruo-min1

(1. Electric Power Research Institute, State Grid Anhui Electric Power Company, Hefei 230601, China; 2. Life Science Academy of Anhui University, Hefei 230601, China)

The general reasons and improvement measures of the failure of non-supervised metallic parts in coal-fired power plants were summed up by the study of several failure cases. The results show that heat treatment process problems, design problems, maintenance problems and welding problems were main reasons for the failure of the non-supervised metallic parts, and the failure frequency of these metal parts could be reduced by strengthening supervision in procurement, installation, inspection and other links.

coal-fired power plant; non-supervised metallic part; failure

10.11973/lhjy-wl201704009

2015-12-07

繆春輝(1986-)，男，博士，主要從事電站鍋爐理化檢驗和失效分析工作，miaochunhui@hotmail.com。

TB4

B

1001-4012(2017)04-0264-04