某分隔屏過(guò)熱器換位彎內(nèi)弧外表面裂紋的產(chǎn)生原因

張 斌,李 玲,彭 波,王 云,董 彬,3,王 靜

(1. 北京華科同和科技有限公司,北京 102200; 2. 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,北京 100045;3. 北京盛凌電力科技有限公司,北京 102206)

燃煤發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí),具有承壓部件低周疲勞、水動(dòng)力不穩(wěn)定、燃燒不穩(wěn)定等問(wèn)題[1-2]。目前,鍋爐管的熱疲勞損壞現(xiàn)象日益增多,可大致分為三類(lèi):煙氣側(cè)腐蝕性熱疲勞、水側(cè)熱疲勞和拉裂,其中煙氣側(cè)腐蝕性熱疲勞常見(jiàn)于水冷壁管和過(guò)熱器管[3]。

過(guò)熱器將蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的飽和蒸汽加熱成為具有一定溫度和壓力的過(guò)飽和蒸汽,以增加蒸汽的焓值,提高蒸汽的做功能力。過(guò)熱器所在服役環(huán)境的溫度和壓力都很高,且對(duì)熱偏差較敏感,是受熱面中工作條件較惡劣的部件,失效概率也高于其他受熱構(gòu)件。過(guò)熱器大致可分為低溫過(guò)熱器、分隔屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器和末級(jí)(高溫)過(guò)熱器[4]。

某火電廠1號(hào)機(jī)組為600 MW亞臨界機(jī)組,其鍋爐為SG2025/17.5-M915型汽包爐。分隔屏過(guò)熱器位于爐膛前上方,不僅可以吸收爐膛上部的煙氣輻射熱,降低爐膛出口煙溫,還能分隔煙氣流,降低爐膛出口煙溫偏差。分隔屏過(guò)熱器沿爐寬方向分布6大片,橫向平均節(jié)距為3 048 mm,每大片又分成了6小片,每小片由10根并聯(lián)套管組成,管子外徑為57 mm,材料除外三圈底部采用SA213-TP347H鋼外,其余均為12Cr1MoVG和15CrMoG鋼。

1號(hào)機(jī)組于2008年投產(chǎn),在2013年進(jìn)行了低氮燃燒器改造。改造后的機(jī)組參與了電網(wǎng)調(diào)頻及調(diào)峰輔助服務(wù),運(yùn)行期間的負(fù)荷變化較大。在近期的防磨防爆檢查中,檢查人員發(fā)現(xiàn)多根分隔屏過(guò)熱器管換位彎內(nèi)弧外表面存在裂紋。裂紋大多出現(xiàn)在出口段位置(標(biāo)高56 m),見(jiàn)圖1。發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí),機(jī)組已運(yùn)行逾7萬(wàn)h。分隔屏過(guò)熱器裂紋管采用12Cr1MoVG鋼,尺寸為φ57 mm×6.5 mm,設(shè)計(jì)溫度為455 ℃。

圖1 裂紋管的現(xiàn)場(chǎng)情況Fig. 1 On site situation of cracked pipes

筆者對(duì)1號(hào)爐前分隔屏過(guò)熱器第3大屏第3小屏第11根(標(biāo)高56 m)裂紋管取樣,對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,并提出相應(yīng)的預(yù)防措施,以期防止類(lèi)似事故的再次發(fā)生,降低鍋爐強(qiáng)迫停運(yùn)的機(jī)率,提高鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

對(duì)分隔屏過(guò)熱器裂紋管(簡(jiǎn)稱(chēng)裂紋管)換位彎內(nèi)弧外表面150 mm×50 mm區(qū)域進(jìn)行打磨,使之露出金屬光澤;在裂紋集中區(qū)域截取長(zhǎng)度約30 mm的管段,沿軸線對(duì)稱(chēng)剖開(kāi),標(biāo)記為試樣A;依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》從裂紋管直管段取3個(gè)寬度b0=15 mm,標(biāo)距L0=60 mm的縱向弧形試樣,依次標(biāo)記為L(zhǎng)1～L3。

1.2 試驗(yàn)方法

(1) 宏觀檢查:在裂紋管換位彎內(nèi)弧外表面150 mm×50 mm區(qū)域進(jìn)行滲透檢測(cè),觀察分隔屏過(guò)熱器外觀、試樣A的縱截面及滲透區(qū)域管段外表面形貌,初步判斷裂紋的分布情況及其擴(kuò)展路徑。

(2) 化學(xué)成分分析:采用Oxford FM Pro型臺(tái)式光譜分析儀對(duì)試樣A進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè),分析裂紋管的主要化學(xué)元素含量。

(3) 力學(xué)性能檢驗(yàn):利用三思CMT5305電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),在室溫環(huán)境中對(duì)L1～L3試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),獲取裂紋管在室溫狀態(tài)下的各項(xiàng)力學(xué)性能。

(4) 金相組織檢驗(yàn):將試樣A橫截面和縱截面依次進(jìn)行研磨、化學(xué)拋光后采用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精浸蝕,清洗吹干后,采用Leica DMI8A型金相顯微鏡觀察裂紋形貌及顯微組織。

(5) 掃描電鏡及能譜分析:將試樣A放入丙酮溶液中超聲波清洗,采用OXFORD型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察裂紋微觀形貌,利用能譜儀(EDS)分析裂紋中產(chǎn)物成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀檢查

由圖2可見(jiàn):裂紋管外壁較光滑,氧化皮較薄,管徑無(wú)明顯脹粗;滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)橫向平行裂紋與管材軸向夾角接近90°,裂紋最長(zhǎng)約為10 mm;肉眼觀察可見(jiàn)裂紋沿壁厚方向垂直于管壁由外向內(nèi)擴(kuò)展。

(a) 取樣管宏觀形貌

(b) 滲透檢測(cè)后裂紋形貌 (c) 試樣A縱截面裂紋形貌 圖2 裂紋管的宏觀檢查結(jié)果Fig. 2 Macro examination results of cracked tube: (a) macro-morphology; (b) results of penetration testing; (c) cross-section morphology of cracks

2.2 化學(xué)成分

裂紋管材質(zhì)為12Cr1MoVG鋼,由表1可知,裂紋管主要合金元素含量均符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 裂紋管(試樣A)的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of cracked tube (specimen A) %

2.3 力學(xué)性能

由表2可知,裂紋管的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率及規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度均符合GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 試樣的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Room temperature tensile test results of samples

2.4 顯微組織

由圖3可見(jiàn):裂紋管的顯微組織為鐵素體+貝氏體,且貝氏體為粒狀、無(wú)方向性,晶界上出現(xiàn)粒狀碳化物,根據(jù)DL/T 773-2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》,評(píng)級(jí)為球化2.5級(jí)。觀察外表面的最長(zhǎng)裂紋發(fā)現(xiàn),其附近母材的顯微組織正常,裂紋深度約為0.63 mm,開(kāi)口較大,擴(kuò)展過(guò)程中有開(kāi)裂、增寬的特征,內(nèi)部有氧化或腐蝕產(chǎn)物,尖端呈圓鈍且分叉的微觀形貌,在最大裂紋附近可見(jiàn)兩條微裂紋,尖端呈尖銳和圓鈍不一的微觀形貌,裂紋擴(kuò)展路徑均以穿晶擴(kuò)展為主;內(nèi)表面脫碳層深度約為0.25 mm,外表面脫碳層深度約為0.21 mm。

(a) 顯微組織 (b) 外表面裂紋

(c) 內(nèi)表面脫碳層 (d) 外表面脫碳層圖3 試樣A的微觀形貌Fig. 3 Micro morphology of sample A: (a) microstructure; (b) external surface cracks; (c) inner decarburizing layer; (d) external decarburizing layer

2.5 SEM/EDS

采用SEM觀察圖3(b)中最大裂紋,發(fā)現(xiàn)裂紋存在較明顯的腐蝕痕跡,裂紋中部分產(chǎn)物已剝落;EDS結(jié)果表明裂紋中的產(chǎn)物主要為Fe的氧化物和硫化物;其中S元素具有腐蝕性,是腐蝕的主要原因,見(jiàn)圖4。

(a) 最大裂紋SEM形貌

(b) 產(chǎn)物EDS分析結(jié)果圖4 最大裂紋的SEM形貌及EDS分析結(jié)果Fig. 4 SEM morphology (a) and EDS analysis results (b) of the largest crack

2.6 討論

裂紋管的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求,且力學(xué)性能良好。裂紋管外壁較光滑,氧化皮較薄,管徑無(wú)明顯脹粗;顯微組織為鐵素體+貝氏體,球化2.5級(jí),為正常服役現(xiàn)象?；究膳懦鸭y管超溫運(yùn)行的可能性。

裂紋管的裂紋呈橫向平行分布,與管材軸向夾角接近90°,由外壁向內(nèi)壁垂直擴(kuò)展,具有熱疲勞的宏觀特征。最大裂紋開(kāi)口較大,擴(kuò)展過(guò)程中有開(kāi)裂、增寬的特征,內(nèi)部充有氧化或腐蝕產(chǎn)物,最大裂紋附近兩條微裂紋尖端呈現(xiàn)尖銳和圓鈍不一的微觀形貌,它們均以穿晶擴(kuò)展為主,具有熱疲勞裂紋的微觀特征。且最大裂紋中產(chǎn)物高含S元素,由此判斷,裂紋擴(kuò)展過(guò)程受腐蝕性S元素影響。綜上,判定裂紋性質(zhì)為腐蝕性熱疲勞裂紋[5]。

裂紋管內(nèi)外表面存在脫碳層。脫碳會(huì)使材料表面滲碳體減少,表面金屬因缺碳變成鐵素體,導(dǎo)致表面脫碳層強(qiáng)度明顯降低,為裂紋擴(kuò)展提供了有利條件[6];脫碳層的存在還會(huì)使材料的熱疲勞性能下降[7]。

對(duì)脫碳層產(chǎn)生原因及環(huán)節(jié)進(jìn)行分析,脫碳的實(shí)質(zhì)是鋼材在加熱時(shí)表面碳含量降低。高溫加熱時(shí)鋼材表面會(huì)發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象。從擴(kuò)散作用角度分析,在高溫環(huán)境中一方面氧向鋼內(nèi)擴(kuò)散,另一方面鋼中的碳向外擴(kuò)散,脫碳層只有在脫碳速度超過(guò)氧化速度時(shí)才能形成;氧化反應(yīng)通常在525 ℃以上發(fā)生,它低于脫碳溫度,脫碳層的形成需要溫度和時(shí)間,一般鋼在670 ℃才會(huì)有明顯的脫碳[8]。從化學(xué)反應(yīng)角度分析,脫碳可以是高溫下,鋼中的碳與氧、水蒸氣及二氧化碳等含氧氣體反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳的過(guò)程;也可由氫引起,在臨氫高溫環(huán)境中,鋼中的Fe3C與氫還原生成甲烷,產(chǎn)生脫碳[9]。裂紋管已排除超溫運(yùn)行的可能性,即其運(yùn)行溫度低于設(shè)計(jì)溫度(455℃),且不存在產(chǎn)生脫碳層的臨氫高溫環(huán)境;由此判斷,裂紋管內(nèi)外表面脫碳層并非運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的,屬于原始制造缺陷。

從機(jī)組運(yùn)行情況分析,機(jī)組曾參與電網(wǎng)調(diào)頻及調(diào)峰輔助服務(wù),運(yùn)行期間負(fù)荷變化較大,因此,引起裂紋管熱裂紋的主要應(yīng)力來(lái)自于鍋爐啟停、調(diào)峰等負(fù)荷變化過(guò)程中溫差產(chǎn)生的循環(huán)交變熱應(yīng)力。從裂紋管服役環(huán)境及裂紋分布位置分析,裂紋管位于爐膛前上方,分隔煙氣流,換位彎內(nèi)弧與煙氣流向大約呈60°,易于接觸煙氣和積存飛灰,因此,S元素主要來(lái)源于燃料燃燒煙氣或積存在管壁上的飛灰。

綜合分析,裂紋管熱疲勞裂紋的形成機(jī)理為:腐蝕性S元素在分隔屏過(guò)熱器換位彎內(nèi)弧外表面富集濃縮,并腐蝕基體,形成“顯微缺口”,“顯微缺口”的應(yīng)力集中程度較高,在應(yīng)力作用下裂紋易于成核進(jìn)而萌生微裂紋[10];脫碳層的存在,為裂紋擴(kuò)展提供了有利條件,當(dāng)熱應(yīng)力較小時(shí),以S腐蝕為主,此時(shí)裂紋擴(kuò)展較慢,裂紋端部為圓鈍狀;隨著熱應(yīng)力增大,裂紋快速擴(kuò)展,裂紋端部呈現(xiàn)尖銳狀;腐蝕性S元素沿管子微裂紋滲入侵蝕基體并在裂紋尖端富集濃縮,加劇微裂紋的擴(kuò)展,形成“開(kāi)裂-鈍化-開(kāi)裂”的擴(kuò)展形式[11]。

3 結(jié)論及建議

分隔屏過(guò)熱器管換位彎內(nèi)弧外表面裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)?腐蝕性S元素富集濃縮腐蝕分隔屏過(guò)熱器管基體,形成“顯微缺口”,萌生微裂紋;外表面脫碳層的存在,為裂紋擴(kuò)展提供了有利條件,微裂紋在高含S腐蝕環(huán)境和熱疲勞循環(huán)載荷協(xié)同、交互作用下不斷擴(kuò)展,最終產(chǎn)生腐蝕性熱疲勞裂紋。

鑒于鍋爐分隔屏過(guò)熱器運(yùn)行時(shí)間已逾7萬(wàn)h,建議后續(xù)分隔屏過(guò)熱器更換時(shí)把控原始管材質(zhì)量;保證燃煤品質(zhì),降低服役環(huán)境中腐蝕性元素含量;嚴(yán)格按規(guī)程要求做好啟停機(jī)和低負(fù)荷運(yùn)行操作,減少冷熱負(fù)荷變化幅度和管排振動(dòng)等造成的影響;按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行定期割管檢查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,提出改進(jìn)措施。