1 025 t/h CFB鍋爐屏式過熱器管失效分析

楊慶旭，楊 超，孫 雄，姚永靈

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102)

某資源綜合利用電廠安裝2臺東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1025/17.5-Ⅱ19型循環(huán)硫化床（CFB）鍋爐,其1號爐于2009年10月投產(chǎn)。2011年8月期間，1號爐屏式過熱器管發(fā)生多次爆漏，均位于屏式過熱器管屏靠近前墻水冷壁部位的澆筑料保護(hù)部位，泄漏管位于管屏中從上向下1～5根之間。其中一次爆漏情況為，爐右向爐左數(shù)第7排靠近前水處從上向下第1根管（編號為7-1）撕裂，噴出的蒸汽吹損第2根（編號為7-2），并將前墻水冷壁吹損產(chǎn)生爆管。屏式過熱器管設(shè)計規(guī)格為D51 mm×8 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG，每屏共58根管子。為查明屏式過熱器管爆漏原因，筆者對其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 檢查與試驗(yàn)

1.1 裂紋及宏觀檢查

7-1管子泄漏處如圖1所示，泄漏點(diǎn)位于固定塊端部角焊縫焊趾處，附近多處吹損泄漏形貌，7-2管上的固定塊管段已被切除。該開裂垂直向下已穿透管壁，利用線切割的方式切開開裂附近的管壁、分離開裂面，斷口形貌如圖2、圖3所示，可見明顯的疲勞紋路，且端部角焊縫疑似被吹損出一深坑。

圖1 7-1管子開裂形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對7-1管樣進(jìn)行合金元素含量分析，結(jié)果見表1，其成分均滿足GB5310—2008對管子材質(zhì)的要求。

表1 屏式過熱器管合金成分分析結(jié)果 %

1.3 顯微組織檢查

在開裂處垂直于開裂面取樣，整體形貌見圖4。在穿透性開裂旁還有一處裂紋深入基體，但未穿透。焊縫吹損處及未穿透裂紋開口處的50倍形貌如圖5所示，右上角為A區(qū)焊縫組織，為柱狀晶，未穿透裂紋開口處兩側(cè)均為熱影響區(qū)，進(jìn)一步證實(shí)該處焊縫被吹損，因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)只會出現(xiàn)在緊鄰焊縫的區(qū)域。A區(qū)焊縫下方的熱影響區(qū)緊鄰熔合線處為馬氏體和貝氏體的淬硬組織，該區(qū)下方為貝氏體的細(xì)晶區(qū)，并與母材相鄰。

焊縫吹損處熱影響區(qū)及穿透性開裂開口處形貌如圖6所示（黑色棱形為顯微硬度壓痕），在靠近表面處也有馬氏體和貝氏體的淬硬組織，開裂呈直線型，內(nèi)壁處一小段開裂與直線開裂呈一定拐角（如圖7所示）。外壁開裂處有約0.046 mm的氧化皮，內(nèi)壁處開裂未見氧化皮，可見開裂是從外壁向內(nèi)壁緩慢擴(kuò)展（或階段性擴(kuò)展），外壁處開裂在運(yùn)行過程中生成氧化皮，擴(kuò)展至內(nèi)壁處時，由于強(qiáng)度不足而呈一定角度撕裂。

圖7 與直線開裂呈一定拐角的內(nèi)壁處撕裂

母材金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體開始分散，晶界有碳化物聚集，球化2.5級，在開裂不遠(yuǎn)處母材取樣顯微組織同開裂處母材組織相同。

1.4 顯微硬度檢測

對A區(qū)焊縫處、B區(qū)淬硬區(qū)、B區(qū)細(xì)晶區(qū)及母材處進(jìn)行顯微硬度檢測，顯微硬度平均值依次為248 HV 0.2、260 HV0.2、194 HV0.2、180HV0.2，可見淬硬區(qū)硬度最高。

2 綜合分析

2.1 結(jié)構(gòu)及受力分析

結(jié)構(gòu)及受力如圖8所示，屏過垂直段管子之間以鰭片相連，下方水平段管子以固定塊相連，使得屏過受熱面成為一個整體，相互之間自由膨脹受阻。從鍋爐總圖上看，盡管上方屏過集箱由恒力吊架懸吊，在啟停爐過程中整個管屏可以整體向上膨脹，但澆筑料保護(hù)部位管子之間的膨脹因上部管子間的鰭片連接，無法向上自由釋放；同時水平段管子穿墻處于水冷壁前墻澆注固死，因此水平段管子相對水冷壁前墻會向爐后膨脹，垂直段向下膨脹。

圖8 結(jié)構(gòu)及受力示意圖

由于外圈管相對于內(nèi)圈管長度大，因管子全部由鰭片或定位塊固定，不能相對位移，必然會對定位塊產(chǎn)生向下和向后的拉伸應(yīng)力并傳遞到內(nèi)圈管上。如圖8所示，外圈第1根的相對膨脹應(yīng)力傳遞到外圈第2根管上，并與第2根相對于第3根的膨脹應(yīng)力疊加再傳到第3根管上，依次類推，最內(nèi)圈區(qū)域的固定塊角焊縫部位將承受較大的附加彎曲和拉伸應(yīng)力，因此屏式過熱器最內(nèi)圈區(qū)域成為整個管屏中最受力狀況最惡劣區(qū)域，爆漏數(shù)次在此區(qū)域發(fā)生也證明了上述分析。

2.2 斷口分析

開裂處經(jīng)分離后觀察到斷口上有較多的疲勞紋（又稱海灘紋或貝紋線），為典型的疲勞斷口，無明顯變形的脆性斷口也符合疲勞斷裂的特征[1]。由圖2、圖3看出，貝紋線間距較大，宏觀上整個斷口上只有間距不一的約7～10條貝紋線，說明該斷口為低周高應(yīng)力疲勞斷裂，每一條疲勞紋可能對應(yīng)一次啟停爐，即一次交變應(yīng)力的循環(huán)。啟爐過程中，屏過管由常溫上升到管子設(shè)計壁溫536℃甚至更高，熱膨脹量較大，由于外圈與內(nèi)圈的的膨脹量不一導(dǎo)致的相對膨脹應(yīng)力，特別是垂直方向的膨脹應(yīng)力會從零升到最高；停爐過程中，管子溫度降低至室溫,管子膨脹應(yīng)力又會由最高降為零。因每次啟停爐的過程中,升溫和降溫的速度不盡相同,每次在裂紋處產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力峰值不同,所以造成每次裂紋擴(kuò)展距離的差別。

疲勞斷口一般分為：裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)（宏觀上的貝紋線或微觀上的疲勞條帶）和瞬斷區(qū)，疲勞擴(kuò)展區(qū)貝紋線所指的圓心方向即為裂紋源區(qū)域[1]。圖2、圖3中貝紋線所指的圓心方向?yàn)橥獗谧C實(shí)開裂是從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，內(nèi)壁瞬斷區(qū)所占面積較小，說明公稱應(yīng)力（即蒸汽內(nèi)壓引起的主應(yīng)力）并不大，而由于熱膨脹引起的附加應(yīng)力較大，導(dǎo)致裂紋經(jīng)過幾次交變應(yīng)力后迅速擴(kuò)展斷裂，即低周高應(yīng)力疲勞斷裂。

2.3 裂紋源分析

管子開裂泄漏處位于長條形固定塊端部角焊縫熱影響區(qū)，在開裂附近還有一條未穿透的裂紋，這2條開裂及裂紋均從熱影響區(qū)向母材擴(kuò)展并深入母材。在熱影響區(qū)區(qū)域靠近熔合線處均發(fā)現(xiàn)馬氏體+貝氏體的淬硬組織，硬度較高（260HV0.2），淬硬組織及角焊縫焊接時拘束應(yīng)力的存在，可能使焊后接頭中萌生垂直于熔合線的橫向冷裂紋或起源于應(yīng)力集中缺口部位的焊趾裂紋，這些裂紋在運(yùn)行前均只會在熱影響區(qū)中的淬硬組織中擴(kuò)展，不會擴(kuò)展至抗裂性良好的母材，但在運(yùn)行中交變應(yīng)力或較大外載下向母材擴(kuò)展甚至斷裂[2]。

由于開裂處的焊縫已被吹損，找不到開裂處焊縫咬邊、未熔合的證據(jù)，因此也不排除焊縫咬邊或未熔合形成裂紋源的可能。

3 結(jié)束語

屏過管與固定塊角焊縫處斷裂為低周高應(yīng)力疲勞斷裂，鍋爐啟停爐時熱膨脹交變應(yīng)力構(gòu)成了疲勞載荷，由于結(jié)構(gòu)原因，最內(nèi)圈區(qū)域屏過管固定塊角焊縫處因熱膨脹應(yīng)力疊加導(dǎo)致的附加彎曲及拉伸應(yīng)力最大，疲勞源很可能是角焊縫熱影響區(qū)的冷裂紋，也可能是焊接咬邊、未熔合等其他缺陷，冷裂紋的產(chǎn)生主要是因?yàn)榻呛缚p端部熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織。焊接質(zhì)量不佳是屏過泄漏的次要原因，內(nèi)圈區(qū)域管排大的附加應(yīng)力導(dǎo)致其在焊接缺陷等薄弱環(huán)節(jié)形成裂紋源并疲勞擴(kuò)展。

建議盡可能改變管排固定裝置的結(jié)構(gòu)避免或減弱內(nèi)圈管排固定塊焊縫部位的應(yīng)力疊加，如將固定塊換成限位裝置使其在某個方向能自由膨脹，或在每屏管排上隔幾根取消固定塊以減弱膨脹應(yīng)力疊加的效果。應(yīng)避免頻繁地啟停爐，在啟停爐過程中應(yīng)降低升、降溫速度，防止過大的熱沖擊造成裂紋迅速擴(kuò)展。嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，避免咬邊等造成應(yīng)力集中的缺陷，通過嚴(yán)格控制焊接熱輸入、合理選擇預(yù)熱溫度、緊急后熱等方法避免焊縫冷裂紋的產(chǎn)生。同時在停爐檢修過程中加強(qiáng)角焊縫處的檢查，在裂紋穿透管壁前及時更換，避免造成更大的損失。

[1]田 燕.焊接區(qū)斷口金相分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[2]張文鉞.焊接冶金學(xué)（基本原理）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.