300 MW亞臨界鍋爐壁式再熱器鋼管開裂原因分析

陳 浩，張 濤，田 峰，譚曉蒙，孫云飛

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020）

1 設(shè)備概況及事故經(jīng)過

某300 MW 火力發(fā)電機(jī)組鍋爐為亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐，單爐膛緊身封閉Π型布置，燃用煙煤，一次再熱，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)，爐頂帶金屬防雨罩。燃燒室采用全焊接的膜式水冷壁，以保證燃燒室的嚴(yán)密性，鰭片寬度適應(yīng)變壓運(yùn)行的工況。

2021-07-17，對鍋爐進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)壁式再熱器鋼管發(fā)生開裂泄漏，廠內(nèi)檢修人員對泄漏部分及時(shí)進(jìn)行了更換處理。泄漏的壁式再熱器鋼管直徑為50 mm，厚4.0 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀檢驗(yàn)

對開裂泄漏的壁式再熱器鋼管進(jìn)行宏觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)鋼管向火側(cè)存在一條貫穿整個(gè)管壁的橫向裂紋，長度約10 mm。鋼管泄漏部位管壁略微脹粗，部分腐蝕產(chǎn)物已脫落，呈黑褐色，并存在多條與主裂紋平行的深淺不一的微裂紋；鋼管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物為紅褐色，呈片層狀，且發(fā)生不同程度的脫落，裂紋附近區(qū)域呈藍(lán)黑色，如圖1所示。

圖1 開裂泄漏的壁式再熱器鋼管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked and leaking steel tube of wall reheater

2.2 金相分析

對開裂泄漏的壁式再熱器鋼管取樣進(jìn)行顯微組織檢測，鋼管泄漏部位有一條貫穿整個(gè)管壁的主裂紋，其附近鋼管內(nèi)外壁存在眾多深淺不一、尖端圓鈍的微裂紋，內(nèi)部已經(jīng)氧化，最大深度約0.8 mm，且微裂紋尖端存在大量的晶界氧化裂紋。泄漏點(diǎn)附近母材組織為塊狀的鐵素體+大量的粒狀碳化物，球化等級(jí)為5.0級(jí)（屬于嚴(yán)重球化），組織未見明顯畸變，鋼管內(nèi)壁氧化皮厚度約為418 μm；距離裂口350 mm處鋼管母材組織為鐵素體+貝氏體，未見明顯球化，屬于正常狀態(tài)下的鋼管顯微組織，如圖2所示。

圖2 開裂泄漏的壁式再熱器鋼管各部位微觀組織形貌Fig.2 Microstructure of cracked and leaking steel tube of wall reheater

2.3 化學(xué)成分分析

從開裂泄漏的壁式再熱器鋼管取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1。檢測結(jié)果表明，壁式再熱器鋼管化學(xué)成分中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG的要求。

表1 開裂泄漏的壁式再熱器鋼管化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Test results of chemical composition mass fraction of cracked and leaking wall reheater steel tube %

2.4 力學(xué)性能分析

按照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》要求，利用CMT5305 電子萬能試驗(yàn)機(jī)對送檢的壁式再熱器鋼管未嚴(yán)重腐蝕部位取樣進(jìn)行拉伸性能測試，結(jié)果見表2。檢測結(jié)果表明，壁式再熱器鋼管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷口伸長率等各項(xiàng)拉伸性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017的要求。

表2 壁式再熱器鋼管常溫力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.2 Test results of normal temperature mechanical performance of wall reheater steel tube

2.5 腐蝕產(chǎn)物形貌與能譜分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對壁式再熱器鋼管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物微觀形貌進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖3 所示?？梢钥闯?，拉線棒表面腐蝕產(chǎn)物較致密，呈片層狀，并伴有大量微小顆粒。

圖3 壁式再熱器鋼管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物SEM形貌Fig.3 SEM morphology of corrosion products on the inner wall of steel tube of wall reheater

利用能譜分析儀（EDS）對壁式再熱器鋼管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，檢測結(jié)果見圖4。結(jié)果表明，壁式再熱器內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要為鐵和氧元素，未見其他元素，應(yīng)為鐵的氧化物。

圖4 壁式再熱器鋼管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物EDS分析譜圖Fig.4 EDS analysis spectrum of corrosion products on the inner wall of steel tube of wall reheater

3 故障原因分析

爆漏的壁式再熱器鋼管化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)材質(zhì)的要求，排除了因材質(zhì)錯(cuò)用導(dǎo)致的爆管。從爆漏的壁式再熱器宏觀及微觀分析結(jié)果可知，鋼管泄漏部位內(nèi)壁腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重，內(nèi)外壁均存在多條與主裂紋平行、深淺不一的微裂紋，與腐蝕性熱疲勞開裂的特征相符[5-9]。此外，鋼管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，判斷為氧腐蝕所致，并與停爐保護(hù)或鍋爐水質(zhì)有關(guān)。

綜上分析，由于鍋爐水質(zhì)或其他原因，導(dǎo)致鋼管內(nèi)壁不斷發(fā)生氧腐蝕，形成大量微小的腐蝕凹坑；由于泄漏區(qū)域鋼管內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象較為嚴(yán)重，造成該區(qū)域換熱能力嚴(yán)重下降，使其長期超溫運(yùn)行并發(fā)生嚴(yán)重球化。另外，結(jié)垢區(qū)域與未結(jié)垢區(qū)域換熱能力存在較大差異，在鍋爐啟停及調(diào)峰過程中鋼管因溫度場分布不均形成較大交變熱應(yīng)力，同時(shí)受疊加鍋爐內(nèi)煙氣溫度分布不均勻的影響，逐漸在鋼管內(nèi)外壁產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷擴(kuò)展直至貫穿整個(gè)管壁，最終造成壁式再熱器鋼管泄漏[10-15]。

圖5 壁式再熱器鋼管內(nèi)壁熱疲勞裂紋產(chǎn)生過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of thermal fatigue crack generation process on inner wall of steel pipe of wall reheater

4 結(jié)論及建議

本次壁式再熱器鋼管開裂泄漏的主要原因?yàn)殄仩t停爐保護(hù)措施不當(dāng)或水質(zhì)不良造成鋼管內(nèi)壁局部區(qū)域發(fā)生腐蝕結(jié)垢，嚴(yán)重影響了該區(qū)域的換熱能力，在鍋爐啟?；蜇?fù)荷大幅度變化時(shí)，結(jié)垢區(qū)域與未結(jié)垢區(qū)域的換熱能力不一致，在鋼管管壁形成較大的溫度差，導(dǎo)致再熱器鋼管在交變熱應(yīng)力的作用下發(fā)生熱疲勞開裂泄漏故障。

針對上述原因，提出以下建議：

（1）加強(qiáng)對壁式再熱器鋼管腐蝕結(jié)垢情況的監(jiān)督力度，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重或垢層較厚的鋼管應(yīng)重點(diǎn)檢查內(nèi)外壁是否存在疲勞裂紋，存在異常應(yīng)及時(shí)處理。

（2）鍋爐停爐期間需做好停爐保養(yǎng)工作，并加強(qiáng)水質(zhì)處理及化驗(yàn)的監(jiān)督工作，按要求定時(shí)排污，避免類似腐蝕疲勞失效事件再次發(fā)生。