對(duì)600MW超臨界機(jī)組液氨罐筒體超聲波檢測(cè)異常的分析

朱海寶，王小林，高國宏，卓仁春，嚴(yán) 正

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州 310030；2.貴州華電桐梓發(fā)電有限公司，貴州遵義 563200）

對(duì)600MW超臨界機(jī)組液氨罐筒體超聲波檢測(cè)異常的分析

朱海寶1，王小林2，高國宏1，卓仁春1，嚴(yán) 正1

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州 310030；2.貴州華電桐梓發(fā)電有限公司，貴州遵義 563200）

用超聲波測(cè)厚儀對(duì)某電廠600MW超臨界機(jī)組液氨罐筒體（Q345R鋼板）進(jìn)行測(cè)厚，發(fā)現(xiàn)超聲波測(cè)厚儀顯示數(shù)值只有鋼板實(shí)際壁厚的一半。通過對(duì)測(cè)厚異常鋼板進(jìn)行超聲波檢測(cè)、化學(xué)成分分析、金相分析、拉伸、彎曲、低溫沖擊等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼板芯部金相組織為3級(jí)帶狀鐵素體和珠光體組織，鋼板的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。分析認(rèn)為鋼板生產(chǎn)工藝不當(dāng)是導(dǎo)致鐵素體和珠光體3級(jí)帶狀組織形成的主要原因。

Q345R;超聲波檢測(cè);液氨罐;力學(xué)性能

1 引 言

氮氧化物（NOx）是造成大氣污染的主要污染源之一。我國氮氧化物的排放量中70％來自于煤炭的直接燃燒，電力工業(yè)又是我國的燃煤大戶，因此火力發(fā)電廠是NOx排放的主要來源之一［1-2］。大型燃煤火電機(jī)組實(shí)施脫硝工程已經(jīng)成為火電機(jī)組達(dá)標(biāo)排放的必要條件之一，越來越多的火電機(jī)機(jī)組將陸續(xù)加裝脫硝裝置［3］。液氨是火電機(jī)組中常見的一種脫硝還原劑，是一種中度毒性、易燃易爆性物質(zhì)，萬一從容器中泄漏會(huì)造成巨大危害。2013年6月3日，吉林省發(fā)生液氨泄漏事故，導(dǎo)致120人死亡，70人受傷。2013年8月31日，上海發(fā)生液氨泄漏事故，導(dǎo)致15人死亡，25人受傷。

對(duì)某600MW火電廠脫硝系統(tǒng)液氨儲(chǔ)罐進(jìn)行超聲波測(cè)厚，發(fā)現(xiàn)其中一臺(tái)液氨罐筒體上兩塊鋼板部分區(qū)域出現(xiàn)超聲波測(cè)厚異常。目前國內(nèi)文獻(xiàn)［4-10］雖有關(guān)于鋼板超聲測(cè)厚不合格原因的分析研究，但多偏于鋼板原材料力學(xué)性能或超聲波檢測(cè)領(lǐng)域，未對(duì)兩者進(jìn)行綜合分析，且關(guān)于火電廠液氨罐鋼板測(cè)厚異常現(xiàn)象還未見相關(guān)研究資料。因此筆者決定對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行研究，為將來火電廠液氨罐筒體材料在選材和在役壽命等方面提供思路和理論支持。

2 超聲波檢測(cè)情況

液氨儲(chǔ)罐工作介質(zhì)為液氨（水含量＞0.2％），工作壓力為1.9MPa，設(shè)計(jì)使用溫度為-19～50℃，使用材料為Q345R，設(shè)計(jì)壁厚26mm，供貨鋼板為熱軋態(tài)。圖1（a）是R12-157液氨罐殼體A3、A4鋼板超聲波測(cè)厚異常處顯示數(shù)值為13.1mm。圖1（b）是異常鋼板焊縫邊緣處（正常處）顯示的數(shù)值為26.4mm，符合設(shè)計(jì)要求。圖2是R12-157液氨罐超聲波檢測(cè)位置示意圖。針對(duì)A3、A4區(qū)塊鋼板超聲波測(cè)厚顯示異常的情況，為了評(píng)估測(cè)厚異常處的分布和面積占比，分別在A3、A4鋼板上打磨出1100×900mm范圍的脫漆層進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)，如圖3所示。在檢測(cè)范圍內(nèi)，依據(jù)100mm每格長度，進(jìn)行格子掃查，在掃查過程中發(fā)現(xiàn)，無論是縱向還是橫向掃查，測(cè)厚數(shù)據(jù)異常處均出現(xiàn)超聲波缺陷反射波，如圖4所示。從圖中可看出缺陷反射波F和底波B，異常處呈條狀分布，占整個(gè)檢測(cè)面積約計(jì)80％。

圖1 超聲波測(cè)厚數(shù)值 （a）異常處;（b）正常處Fig.1 Thickness measurement by ultrasonic testing（a）Abnormal;（b）Normal

圖2 液氨罐厚度抽檢區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic diagram of the liquid ammonia tank

圖3 超聲波檢測(cè)區(qū)域尺寸示意圖Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic detection area

圖4 超聲波檢測(cè)顯示照片F(xiàn)ig.4 Picture of ultrasonic testing

3 理化試驗(yàn)分析

針對(duì)超聲波檢測(cè)異常鋼板，聯(lián)系生產(chǎn)廠家從生產(chǎn)該液氨儲(chǔ)罐的余料中找到了兩塊超聲波測(cè)厚異常情況類似的鋼板，一塊厚度為26mm，一塊厚度為30mm。分別在兩塊鋼板上取樣，進(jìn)行了化學(xué)分析、金相、拉伸、彎曲和沖擊等理化性能檢測(cè)。

3.1 化學(xué)成分分析

對(duì)厚度為26mm和30mm兩塊鋼板1/4厚度和1/2厚度處分別取樣進(jìn)行化學(xué)分析，分析結(jié)果如表1所示，其中編號(hào)#1和#2為26mm厚度鋼板1/4處和1/2處;編號(hào)#3和#4為30mm厚度鋼板1/4處和1/2處的分析結(jié)果。從表中看出鋼板主要化學(xué)元素成分符合標(biāo)準(zhǔn)DL/T 991-2006規(guī)定的Q345R要求;芯部未出現(xiàn)明顯化學(xué)成分偏析現(xiàn)象。

表1 化學(xué)分析結(jié)果Table 1 Results of chemical analysis

3.2 金相組織分析

圖5a為26mm厚度鋼板試樣放大100倍的金相照片，組織為鐵素體加珠光體帶狀組織，帶狀組織評(píng)為3級(jí);圖5b為放大500倍的金相照片，組織為鐵素體加珠光體帶狀組織，未見明顯分層、裂紋等危害性缺陷。圖5c中為30mm厚度鋼板放大100倍的金相照片，組織為鐵素體加珠光體帶狀組織，帶狀組織評(píng)為3級(jí);圖5d為放大500倍的金相照片，同樣未見明顯分層、裂紋等危害性缺陷。兩塊鋼板組織致密，沒有發(fā)現(xiàn)有分層、夾雜物等危害缺陷的存在，但都出現(xiàn)明顯帶狀組織，評(píng)為3級(jí)，這是由于熱軋態(tài)供貨鋼板的軋態(tài)工藝措施控制不當(dāng)所致。

圖5 儲(chǔ)氨罐鋼板金相組織照片 厚26mm的鋼板試樣：（a）100×;（b）500×;厚30mm的鋼板試樣：（c）100×;（d）500×Fig.5 Microstructure pictures 26mm thickness：（a）（c）100×;30mm thickness：（b）（d）500×

3.3 拉伸性能

在WAW-Y500C微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。26mm厚度鋼板編號(hào)#1，30mm厚度鋼板編號(hào)#2，兩塊鋼板1/2厚度處試樣的拉伸性能如表2所示。

表2 拉伸力學(xué)性能Table 2 Tensile mechanical properties

根據(jù)GB 713-2008標(biāo)準(zhǔn)要求，厚度為16～36mm熱軋狀態(tài)的Q345R鋼板，屈服強(qiáng)度為不小于325 N/mm2，抗拉強(qiáng)度為500～630N/mm2，延伸率不小于21％。由表2可知，該鋼板1/2厚度處材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，滿足使用條件。

3.4 彎曲沖擊性能

在WAW-Y500C微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。按GB 713-2008，熱軋狀態(tài)的Q345R鋼板，在厚度大于16mm時(shí)，彎曲試驗(yàn)需要滿足d=3a，即彎曲直徑為厚度的3倍。

試驗(yàn)采用面彎曲，彎曲角度為180度，按d=3a，彎軸直徑分別為78mm和90mm。彎曲完成后試樣外弧面、內(nèi)弧面均沒有出現(xiàn)裂紋等缺陷，彎曲性能良好。

表3為兩塊鋼板-20℃低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果。26mm厚度鋼板編號(hào)#1，30mm厚度鋼板編號(hào)#2，每種厚度鋼板取3個(gè)樣品分別進(jìn)行三次試驗(yàn)，所得沖擊功結(jié)果如表3所示。依據(jù)GB 713-2008標(biāo)準(zhǔn)要求0℃沖擊功≥34J，由表3可知兩塊鋼板沖擊功結(jié)果都符合要求。

表3 低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of low temperature impact test

4 分析與討論

對(duì)液氨罐測(cè)厚異常鋼板進(jìn)行超聲波檢測(cè)，從圖4中可以看出缺陷處發(fā)射波（F）與底波（B）之比約為2：5。兩個(gè)不同距離的大平底面回波聲壓見式（1），鋼和空氣界面的反射和透射率見式（2）。

在鋼鐵與空氣界面，鋼鐵材料的聲阻抗Z1?空氣的聲阻抗Z2，根據(jù)資料［11］Z1=4.5×106g/cm2·s;Z2= 0.00004×106g/cm2·s：

根據(jù)式（2）計(jì)算結(jié)果，當(dāng)超聲波從鋼一側(cè)到達(dá)裂紋表面時(shí)（等同于鋼和空氣界面），超聲波基本被完全反射，從而引起探傷不合格，這與圖4中缺陷反射波與底波之比約為2：5不相符，可以排除鋼種出現(xiàn)分層和裂紋等危害性缺陷。當(dāng)超聲波遇到與鋼（鐵素體基體）緊密接觸的夾雜或珠光體帶時(shí)，在“鋼-夾雜”界面上，由于夾雜物的聲阻抗遠(yuǎn)大于空氣或真空，所以與“鋼-空氣”、“鋼-真空”界面相比，超聲波在遇到“鋼-夾雜”界面時(shí)，超聲波反射率低于“鋼-空氣”和“鋼-真空”界面，根據(jù)超聲波反射波形可推測(cè)出，此缺陷反射波主要由珠光體帶狀組織或點(diǎn)狀?yuàn)A雜引起。

熱軋態(tài)鋼板出現(xiàn)帶狀組織的形成機(jī)理［12］：主要是由于連鑄坯在凝固澆注過程中枝晶組織帶來的SiMn等合金元素的偏析造成的。一般認(rèn)為Mn偏析的影響因素更大，組織帶狀分布的根源為成分帶狀分布。由于Mn是奧氏體穩(wěn)定性元素，使得貧Mn帶和富Mn帶的Ar3溫度不同，Mn的偏析會(huì)引起奧氏體相變過程中C的偏移，C由貧Mn帶向富Mn帶擴(kuò)散。因此成分帶狀分布的結(jié)果造成了相變后鋼板中鐵素體珠光體的帶狀組織。帶狀組織可通過以下幾個(gè)措施得以控制：（1）連鑄坯枝晶偏析的控制，可以采用鋼水過熱度、電磁攪拌和控制二冷水等措施減少柱狀晶寬度，增加等軸晶寬度;（2）確定合理的加熱制度;（3）TMCP技術(shù)的控制，通過控軋控冷技術(shù)在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制，未再結(jié)晶區(qū)的奧氏體畸變能誘發(fā)奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，這將減少貧Mn帶與富Mn帶先共析鐵素體析出的時(shí)間，從而減少帶狀組織。根據(jù)帶狀組織形成的機(jī)理可以采用正火或退火等熱處理工藝加以消除。

5 結(jié) 論

1.Q345R試驗(yàn)鋼理化力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織為典型的鐵素體+珠光體帶狀組織（評(píng)為3級(jí)），內(nèi)部未見分層、裂紋等危害性缺陷;Q345R試驗(yàn)鋼板的3級(jí)帶狀組織主要由生產(chǎn)工藝不當(dāng)造成的，可以通過合適的熱處理工藝來消除;

2.Q345R低合金鋼最低使用溫度必須大于-20℃。而液氨儲(chǔ)罐中介質(zhì)為液氨，其設(shè)計(jì)使用溫度為-19～50℃，已接近該材料的使用溫度下限;針對(duì)液氨罐出現(xiàn)3級(jí)帶狀組織的鋼板，建議選用性能更優(yōu)良的材料或通過熱處理手段主動(dòng)消除鋼板中的3級(jí)帶狀組織。

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Analysis of Abnormality during Ultrasonic Testing of Liquid Ammonia pot in the 600MW Supercritical power plant

ZHU Hai-bao1，WANG Xiao-lin2，GAO Guo-hong1，ZHUO Ren-chun，YAN Zheng1
（1.Huadian Electric power Research Institute，Hangzhou 310030，China; 2.Guizhou Huadian Tongzi Thermal power plant，Zunyi 563200，China）

While measuring cylinder’s thickness of the liquid ammonia tank（Q345R steel）in the 600MW supercritical power plant by ultrasonic measurement，we found that the displayed value is only half of the actual thickness.According to the test results from ultrasonic testing，chemical analysis，metallurgical analysis，tensile，bending，low temperature impact testing，it has been found that the microstructure of the steel core is the third level banded ferrite and pearlite，with the mechanical properties conforming to standards. It is concluded that improper production process has mainly led to the formation of the third level banded ferrite and pearlite structure.

Q345R;ultrasonic testing;liquid ammonia tank;mechanical properties

TG115.2

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.035

1673-2812（2016）03-0504-04

2015-04-29;

2015-06-30

朱海寶（1983-），男，碩士，工程師，主要從事火電廠新金屬材料性能、失效、無損檢測(cè)研究。E-mail：zhuhbao@163.com。