火電廠非熱力系統(tǒng)壓力容器常見(jiàn)失效形式分析

閻光宗， 柯 浩， 代小號(hào) ，馮硯廳

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

1 概述

火電廠涉及到的壓力容器較多，其中熱力系統(tǒng)壓力容器，如高、低壓加熱器，除氧器等，由于工作溫度高、承受壓力較大而在制造、安裝和檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)受到重視。而非熱力系統(tǒng)壓力容器，如空氣罐、氫罐等，由于工作壓力和工作溫度相對(duì)較低而在制造、安裝和檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)未得到足夠重視。近年來(lái)在火力發(fā)電廠壓力容器全面檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)較多非熱力系統(tǒng)壓力容器存在嚴(yán)重問(wèn)題，以下對(duì)非熱力系統(tǒng)壓力容器幾種常見(jiàn)失效形式進(jìn)行分析。

2 常見(jiàn)失效形式分析

2.1 空氣緩沖罐嚴(yán)重腐蝕、壁厚減薄

2.1.1 檢驗(yàn)概況

某火電廠一單元空氣緩沖罐于1993年12月投運(yùn)，設(shè)計(jì)壓力0.9 MPa，設(shè)計(jì)溫度50 ℃，介質(zhì)為空氣，筒體內(nèi)徑1 400 mm，公稱壁厚8 mm，材質(zhì)16 MnR。2010年9月,依據(jù)TSG R7001-2004《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》對(duì)該空氣緩沖罐進(jìn)行全面檢驗(yàn)。在全面檢驗(yàn)中，對(duì)該容器開(kāi)罐進(jìn)行宏觀檢查、超聲波測(cè)厚和磁粉檢驗(yàn)，宏觀檢查發(fā)現(xiàn)該容器內(nèi)壁腐蝕、氧化嚴(yán)重，個(gè)別部位腐蝕、氧化產(chǎn)物大面積脫落。對(duì)其內(nèi)壁部分腐蝕嚴(yán)重部位進(jìn)行打磨，見(jiàn)金屬光澤后進(jìn)行超聲波測(cè)厚，所測(cè)各點(diǎn)筒體最小壁厚為4.80 mm。

依據(jù)GB 150-1998《鋼制壓力容器》內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：δ為圓筒的計(jì)算厚度，mm；Pc為計(jì)算壓力，MPa；Di為圓筒的內(nèi)直徑，mm；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)。

得到計(jì)算壁厚為4.37 mm。根據(jù)所測(cè)筒體最小壁厚計(jì)算得到筒體腐蝕量為3.2 mm，年平均腐蝕速率為0.19 mm。假設(shè)下次檢驗(yàn)為3年后，剩余腐蝕裕量(0.43)已不能保證其安全運(yùn)行至下一檢驗(yàn)周期。

2.1.2 原因分析

a. 空氣在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生較高的熱量，空氣中含有一定量的水分，在進(jìn)入罐體后逐漸冷卻，由于溫差的變化，從而在罐體內(nèi)表面凝結(jié)產(chǎn)生水珠，罐體內(nèi)表面經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)。

b. 由于該儲(chǔ)氣緩沖罐在供氣系統(tǒng)中位于干燥器和除油器前，且壓縮空氣未進(jìn)行凈化處理，因此該容器中介質(zhì)(壓縮空氣)純凈度較差，在周圍環(huán)境腐蝕性介質(zhì)濃度較高情況下，隨空氣帶入O2、CO2等腐蝕性介質(zhì)。

c. 在使用過(guò)程中沒(méi)有按規(guī)定進(jìn)行(定期排出凝液水)，使凝液水大量沉積在內(nèi)部，在工況條件下，水分子呈霧態(tài)存在，加速了罐體的腐蝕。

2.1.3 防范措施

a. 在壓縮空氣儲(chǔ)罐進(jìn)氣口加裝除濕設(shè)備。

b. 設(shè)計(jì)選用耐腐蝕的材料，如不銹鋼系列材料等。在內(nèi)表面選用襯里材料，如在不銹鋼板襯里搪玻璃或噴漆防腐。

c. 在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)定期排放空氣儲(chǔ)罐內(nèi)的凝液水。

d. 在對(duì)該類容器進(jìn)行全面檢驗(yàn)時(shí)，一定要開(kāi)罐進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行檢驗(yàn)，以做到全面了解容器的安全狀況，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 空氣儲(chǔ)罐筒體裂紋

2.2.1 檢驗(yàn)概況

某火電廠一單元干灰氣源總儲(chǔ)氣罐于2003年10月25日投運(yùn)，設(shè)計(jì)壓力0.85 MPa，設(shè)計(jì)溫度150 ℃，介質(zhì)為空氣，筒體內(nèi)徑1 600 mm，公稱壁厚10 mm，材質(zhì)Q235B。在對(duì)該容器進(jìn)行全面檢驗(yàn)時(shí)，經(jīng)磁粉檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該容器入孔加強(qiáng)圈焊縫附近有缺陷磁痕顯示，且該缺陷由入孔加強(qiáng)圈沿筒體周向擴(kuò)展，沿其擴(kuò)展方向打磨后磁粉檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此裂紋長(zhǎng)度約為450 mm。

2.2.2 原因分析

該壓力容器屬于薄壁容器范疇，所謂薄壁容器是指外徑和內(nèi)徑的比值為1．1～1．2的容器。薄壁容器的受力狀態(tài)，可以用薄膜理論又稱無(wú)力矩理論進(jìn)行分析，即假定殼壁象薄膜一樣，只能承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，不能承受彎矩和彎曲應(yīng)力，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力沿壁厚均勻分布。這種殼體中存在的應(yīng)力稱薄膜應(yīng)力。薄膜理論用來(lái)分析薄壁容器受力狀況的精度，進(jìn)而滿足工程實(shí)際要求。按照薄膜理論，可以推導(dǎo)出圓柱殼即筒體的環(huán)向應(yīng)力σ環(huán)和軸向應(yīng)力σ軸分別為：

式中：p為設(shè)計(jì)壓力；D為容器筒體的中間直徑；δ為容器筒體的計(jì)算厚度。

由此可見(jiàn)，圓柱形筒體的環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的2倍。因此運(yùn)行中產(chǎn)生的容器筒體裂紋多平行于筒體軸向。該裂紋即不在角焊縫的熔合線上，也不沿筒體軸向，而是在鋼板的環(huán)向延伸。因此，分析認(rèn)為此裂紋與鋼板的原始軋制缺陷有關(guān)，為原始軋制缺陷或者材料原始缺陷在軋制過(guò)程中延長(zhǎng)并擴(kuò)展而成的裂紋。

2.2.3 防范措施

a. 在壓力容器制造過(guò)程中把好材料的驗(yàn)收入庫(kù)關(guān)，壓力容器所用鋼板應(yīng)為探傷鋼板，且需要有質(zhì)量證明書。

b. 嚴(yán)格執(zhí)行壓力容器監(jiān)督檢驗(yàn)，由有資質(zhì)的監(jiān)督檢驗(yàn)單位對(duì)壓力容器的制造全過(guò)程進(jìn)行安全性能監(jiān)督檢驗(yàn)。

c. 在全面檢驗(yàn)中，表面無(wú)損探傷的檢驗(yàn)重點(diǎn)應(yīng)該包括容器內(nèi)壁液面以下焊縫或角焊縫及水位線附近的焊縫，還應(yīng)該包括容器外壁的疏水管座、人孔門、空氣管座、壓力表、安全閥管座等承受交變應(yīng)力的管座。

2.3 空氣干燥器嚴(yán)重鼓包

2.3.1 檢驗(yàn)概況

某電廠2臺(tái)空氣干燥器于2001年4月20日投運(yùn)，設(shè)計(jì)壓力1 MPa，設(shè)計(jì)溫度300 ℃，介質(zhì)為空氣，筒體規(guī)格為307 mm×9 mm×1 445 mm，材質(zhì)20 g，內(nèi)部裝有加熱裝置，壓縮空氣通過(guò)該空氣干燥器時(shí)達(dá)到干燥和升溫的效果，加熱系統(tǒng)采用溫度自動(dòng)控制，即達(dá)到指定溫度后，空氣干燥器停止加熱。

對(duì)該空氣干燥器進(jìn)行全面檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)空氣干燥器A、B存在嚴(yán)重的鼓包現(xiàn)象，外表面存在明顯的高溫氧化腐蝕，空氣干燥器A外形已變形，形狀如同紡錘，鼓包十分嚴(yán)重；鼓包最嚴(yán)重處直徑為368 mm，比原始直徑(φ307 mm)漲粗61 mm，脹粗量19.87%，鼓包處外表面存在嚴(yán)重的高溫氧化腐蝕現(xiàn)象，氧化皮脫落嚴(yán)重，并且壁厚減薄，鼓包處壁厚僅為7.40 mm?？諝飧稍锲鰾同樣存在鼓包現(xiàn)象，但是程度稍輕。鼓包最嚴(yán)重處直徑為345 mm，比原始直徑(φ307 mm)漲粗38 mm，脹粗量12.38%，鼓包處壁厚最小8.10 mm。

2.3.2 原因分析

2.3.2.1 金相分析

對(duì)空氣干燥器A取樣進(jìn)行金相組織檢查，分別在鼓包與未鼓包部位進(jìn)行取樣，金相組織均為鐵素體+珠光體，鼓包部位珠光體比未鼓包部位珠光體明顯減少，鼓包部位碳化物已經(jīng)分散，珠光體區(qū)域較少，表明該組織已發(fā)生劣化。

2.3.2.2 力學(xué)性能分析

對(duì)空氣干燥器A取樣進(jìn)行室溫機(jī)械性能試驗(yàn)，分別在鼓包與未鼓包部位進(jìn)行取樣，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。鼓包處材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度明顯低于未鼓包處，并且低于GB 713-2008《鍋爐壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2.3 運(yùn)行情況分析

根據(jù)以上分析，空氣干燥器發(fā)生鼓包的根本原因?yàn)槌瑴剡\(yùn)行，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用狀況的了解，發(fā)現(xiàn)該空氣干燥器在使用中控溫系統(tǒng)及溫度測(cè)點(diǎn)的布置存

表1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

在問(wèn)題，致使空氣干燥器超溫。由于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)該容器包有保溫材料，在巡檢和年度檢查時(shí)未發(fā)現(xiàn)容器的超溫現(xiàn)象，致使該加熱器運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)7年后材質(zhì)劣化，產(chǎn)生鼓包，嚴(yán)重影響運(yùn)行安全。

2.3.3 防范措施

a. 對(duì)于空氣干燥器類的壓力容器應(yīng)嚴(yán)格控制其溫度操作范圍，并加強(qiáng)對(duì)溫控系統(tǒng)的檢查。

b. 對(duì)于火電廠非熱力系統(tǒng)壓力容器要加強(qiáng)日常運(yùn)行過(guò)程中的巡檢和年度檢查工作力度。

c. 因?yàn)槲窗匆?guī)程要求及時(shí)進(jìn)行全面檢驗(yàn)，該空氣干燥器超溫運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)7年而沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，因此壓力容器應(yīng)按規(guī)程要求定期進(jìn)行全面檢驗(yàn)，不能進(jìn)入容器內(nèi)部進(jìn)行檢驗(yàn)的容器應(yīng)剝除容器外表面的全部保溫材料，以防止鼓包、腐蝕、減薄類缺陷的漏檢。

3 建議

通過(guò)分析上述幾種非熱力系統(tǒng)壓力容器的失效形式，可以看到，雖然非熱力系統(tǒng)壓力容器工作溫度、工作壓力相對(duì)較低，但是在實(shí)際運(yùn)行中，由于對(duì)其的重視程度不夠會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，提出以下幾點(diǎn)建議。

a. 在制造過(guò)程中對(duì)非熱力系統(tǒng)壓力容器給予足夠重視，從原材料入廠到產(chǎn)品出廠嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，確保投入生產(chǎn)運(yùn)行的容器的安全性能。

b. 在壓力容器運(yùn)行中，加強(qiáng)對(duì)非熱力系統(tǒng)壓力容器日常的巡檢和年度檢查工作力度，重視壓力表、溫度計(jì)、安全閥等安全附件及控制設(shè)備的日常維護(hù)和定期校驗(yàn)。

c. 在進(jìn)行壓力容器全面檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)正確進(jìn)行宏觀檢查。宏觀檢查主要是檢查外觀，但外觀檢查并非外部檢查，既需要檢查容器的外部，也需要檢查容器的內(nèi)部。由于壓力容器內(nèi)壁的應(yīng)力水平通常高于外壁，且與介質(zhì)直接接觸，因此進(jìn)入容器內(nèi)部檢查必不可少。對(duì)于無(wú)法或者很難進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行宏觀檢查的壓力容器，建議去除全部保溫材料，再進(jìn)行容器宏觀檢查。