高溫過(guò)熱器泄漏原因分析

陳 勛，周麗琴

(1. 武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所， 武漢 430024;2. 武漢鍋爐集團(tuán)閥門有限責(zé)任公司， 武漢 430200)

材料技術(shù)

高溫過(guò)熱器泄漏原因分析

陳 勛1，周麗琴2

(1. 武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所， 武漢 430024;2. 武漢鍋爐集團(tuán)閥門有限責(zé)任公司， 武漢 430200)

對(duì)某電站循環(huán)流化床鍋爐高溫過(guò)熱器煮爐時(shí)產(chǎn)生泄漏的原因進(jìn)行了掃描電鏡、能譜分析、裂紋微觀等分析。結(jié)果表明：過(guò)熱器彎頭開裂是在氯離子和彎頭殘余拉應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂。

高溫過(guò)熱器； 彎管； 應(yīng)力腐蝕

高溫過(guò)熱器是電站鍋爐中服役溫度最高、環(huán)境最復(fù)雜的部件，在電廠運(yùn)行過(guò)程中常由于超溫運(yùn)行、腐蝕、磨損等原因造成高溫過(guò)熱器爆管[1-3]，使得電站鍋爐無(wú)法正常使用，因此分析高溫過(guò)熱器的失效原因?qū)﹄姀S的安全運(yùn)行和使用壽命具有重要意義。

某電廠一臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐安裝完成，整體泵水合格后放置8個(gè)月，在200～300 ℃煮爐期間，高溫過(guò)熱器彎頭上多處發(fā)生泄漏，現(xiàn)將工地帶回的一根鋼管取樣進(jìn)行檢驗(yàn)分析，高溫過(guò)熱器材料為12Cr1MoVG，直徑為38 mm，壁厚為5 mm。筆者通過(guò)掃描電鏡、能譜分析、裂紋微觀形貌等方法，結(jié)合高溫過(guò)熱器制造工藝和服役條件，分析了高溫過(guò)熱器產(chǎn)生裂紋的原因。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 磁粉探傷檢驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)帶回的試樣見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)帶回試樣

對(duì)泄漏的高溫過(guò)熱器進(jìn)行磁粉探傷，結(jié)果表明：裂紋位于彎管的側(cè)面，沿軸向開裂，直管段沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。

磁粉探傷后，在高溫過(guò)熱器彎頭部位發(fā)現(xiàn)裂紋位置取宏觀、微觀試樣；在直管段取拉伸試樣和化學(xué)成分分析試樣。

1.2 化學(xué)成分分析

從開裂彎管直管段上取塊狀樣品，使用QSN750型直讀光譜儀等，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。與標(biāo)準(zhǔn)比較可見(jiàn)，該鋼管的化學(xué)成分符合GB 5310—2008中12Cr1MoVG的要求。

表1 直管段化學(xué)成分 %

1.3 力學(xué)性能分析

從開裂彎管直管段上取樣，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。與標(biāo)準(zhǔn)比較可見(jiàn)，該鋼管的力學(xué)性能符合GB 5310—2008中12Cr1MoVG的要求。

表2 直管段力學(xué)性能

1.4 橢圓度和壁厚減薄量分析

圖2為高溫過(guò)熱器彎頭中部截面的宏觀試樣，上部為彎管的外側(cè)減薄區(qū)，下部為彎管的內(nèi)側(cè)增厚區(qū)。

圖2 彎頭中部截面宏觀試樣

彎頭部位的橢圓度為(38.3-35.6)/38=7.1%；彎頭部位的壁厚減薄量為(5.0-4.5)/5.0=10%。

該彎管的半徑R=72 mm，由WG/N 3.1—2005 和JB/T 1611—1993 鍋爐管子制造內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)可知，彎管的橢圓度和壁厚減薄量應(yīng)分別不超過(guò)12%和25%，所以該彎管的橢圓度和壁厚減薄量符合要求。

1.5 宏觀裂紋分析

由圖2可知：裂紋均位于彎頭兩側(cè)靠近彎管的內(nèi)側(cè)增厚區(qū)，兩側(cè)的裂紋幾乎呈對(duì)稱分布，右側(cè)裂紋已經(jīng)完全貫穿整個(gè)管壁，左側(cè)裂紋由管內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，還未完全貫穿，可見(jiàn)裂紋萌生于管內(nèi)壁，沿徑向由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展；內(nèi)壁還發(fā)現(xiàn)凹坑和軋制的縱向條紋。

1.6 微觀裂紋分析

圖3為彎管裂紋處顯微組織，圖4為裂紋顯微形貌。

圖3 彎頭處顯微組織

圖4 裂紋顯微形貌

由圖3可知：彎頭顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為8.5級(jí)，組織未發(fā)生球化；帶狀組織級(jí)別為3級(jí)；內(nèi)外壁全脫碳層為0 mm；各類夾雜物級(jí)別為A0.5、B0.5、C0.5、D1.0。鋼管的顯微組織符合GB 5310—2008中12Cr1MoVG的規(guī)定。

由圖3、圖4可知：裂紋萌生于管內(nèi)壁，裂紋萌生處伴隨著與主裂紋平行的細(xì)小裂紋，均由管內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，裂紋是沿著鐵素體的晶界擴(kuò)展，裂紋呈沿晶開裂的特征，裂紋擴(kuò)展中出現(xiàn)少量分叉現(xiàn)象，屬于典型的應(yīng)力腐蝕裂紋[4]。裂紋內(nèi)部充滿灰色疏松的腐蝕產(chǎn)物，見(jiàn)圖5。

圖5 裂紋內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物

對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知腐蝕產(chǎn)物中存在Cl和Ca元素。

圖6 腐蝕產(chǎn)物的能譜分析

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

該循環(huán)流化床鍋爐煮爐采用氫氧化鈉和磷酸三鈉堿煮，加藥量各為4 kg/m3，壓力為1.96～2.45 MPa，煮爐開始幾個(gè)小時(shí)后發(fā)現(xiàn)高溫過(guò)熱器彎頭上多處泄漏，根據(jù)前述能譜分析結(jié)果，裂紋內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物中并未發(fā)現(xiàn)堿煮所用藥劑主要元素Na，管內(nèi)壁和裂紋內(nèi)部也均未發(fā)現(xiàn)白色顆?；驂A結(jié)晶，這說(shuō)明高溫過(guò)熱器彎頭裂紋并非由堿引起的應(yīng)力腐蝕開裂，裂紋也并不是萌生于煮爐期間。

腐蝕產(chǎn)物中存在Cl元素是由泵水試驗(yàn)時(shí)所用水引入，且含量較高。鍋爐在安裝完成、泵水合格后會(huì)排掉鍋水，但過(guò)熱器管管壁上仍會(huì)殘存少量水分，且管內(nèi)空氣的濕度也會(huì)較大，存在于金屬表面上的某些吸濕性物質(zhì)就可能從空氣中吸收水分，在管內(nèi)壁局部區(qū)域形成了含有Cl離子的水溶液，為應(yīng)力腐蝕裂紋的形成提供了環(huán)境因素。Cl離子有很強(qiáng)的被金屬吸附的能力，會(huì)優(yōu)先被吸附并從金屬表面把氧原子排掉，和氧化膜中的陽(yáng)離子結(jié)合成可溶性氯化物，破壞了金屬表面的氧化膜，導(dǎo)致了腐蝕的加速。

過(guò)熱器蛇形管是通過(guò)冷彎加工制造而成，彎頭部位經(jīng)歷了外側(cè)管壁減薄、內(nèi)壁管壁增厚，以及由圓變橢圓的過(guò)程，彎頭處的殘余應(yīng)力較大，彎頭整個(gè)圓周方向上全部環(huán)向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力；而最大的殘余拉應(yīng)力位于彎頭兩個(gè)側(cè)面的中間位置[5]，本例中泄漏裂紋正位于這一區(qū)域，彎頭處的殘余拉應(yīng)力為應(yīng)力腐蝕裂紋的形成和擴(kuò)展提供應(yīng)力條件。

通過(guò)以上分析可知：高溫過(guò)熱器彎頭裂紋產(chǎn)生于泵水試驗(yàn)后空置期間，在Cl離子和彎頭殘余拉應(yīng)力共同作用下萌生的；裂紋起源于管內(nèi)壁，在煮爐前裂紋并未完全貫穿整個(gè)管壁，煮爐一段時(shí)間后，管內(nèi)壓力逐步上升，裂紋迅速擴(kuò)展造成彎頭處泄漏。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可得以下結(jié)論：

(1) 高溫過(guò)熱器彎頭裂紋產(chǎn)生于泵水試驗(yàn)后空置期間，是在Cl離子和彎頭殘余拉應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂。

(2) 高溫過(guò)熱器彎頭裂紋并不是萌生于煮爐期間，并非由煮爐所用堿性藥劑引起的應(yīng)力腐蝕開裂。

[1] 張而耕,王瓊琦,鄭凱書,等. 過(guò)熱器管爆管原因的失效分析[J]. 壓力容器,2009,26(5):44-49.

[2] 趙彥芬. 揚(yáng)子石化鍋爐金屬監(jiān)督報(bào)告[R]. 蘇州：蘇州熱工研究院有限公司電站壽命管理研究中心,2007.

[3] 王偉,王學(xué),鐘萬(wàn)里,等. 屏式過(guò)熱器T23/12Cr1MoV異種鋼接頭失效分析[J]. 中國(guó)電力, 2013,46(10):9-12.

[4] 左景伊. 應(yīng)力腐蝕破裂[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社,1985.

[5] 鄭相鋒,馮硯廳,牛曉光,等. 超臨界鍋爐頂棚過(guò)熱器彎管斷裂失效分析[J]. 熱加工工藝,2011,40(22):201-202.

Leakage Analysis of High-temperature Superheaters

Chen Xun1, Zhou Liqin2

(1. Wuhan Boiler Pressure Vessel Inspection Institute, Wuhan 430024, China;2. Wuhan Boiler Group Valve Co., Ltd., Wuhan 430200, China)

The reasons of leakage found in the high-temperature superheater of a circulating fluidized bed boiler during boiling out were examined by scanning electron microscope, energy spectrum analysis and microscopic crack analysis. Results show that the breaking of superheater elbow is of the stress corrosion kind, which is caused by combined action of chloride ion and residual tensile stress.

high-temperature superheater; elbow; stress corrosion

2015-01-21

陳 勛(1987—)，男，工程師，主要從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。

E-mail: 363523253@qq.com

TM621.2

A

1671-086X(2015)04-0288-03