1000MW超超臨界機(jī)組高溫再熱器管彎頭失效分析

劉世剛,黃橋生,陳 琨

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院,湖北 武漢 430000)

1000MW超超臨界機(jī)組高溫再熱器管彎頭失效分析

劉世剛,黃橋生,陳 琨

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院,湖北 武漢 430000)

對(duì)某電廠1000MW超超臨界機(jī)組高溫再熱器管HR3C彎頭失效進(jìn)行了分析，采用了宏觀檢查、化學(xué)成分分析、顯微組織分析、硬度試驗(yàn)、掃描電鏡能譜分析和機(jī)械性能試驗(yàn)等方法。結(jié)果表明：彎頭彎制過(guò)程中形成的殘余應(yīng)力，和由于外背弧面碰撞產(chǎn)生的凹坑導(dǎo)致的應(yīng)力集中，管子在啟停爐及水壓試驗(yàn)等受到?jīng)_擊載荷時(shí)，材料的韌性降低以及晶界的弱化效應(yīng)，在該區(qū)域的晶界處會(huì)優(yōu)先形成裂紋源，并沿晶界發(fā)展，貫穿整個(gè)管壁導(dǎo)致失效。

超超臨界 ；高溫再熱器 ；HR3C ；彎頭；失效分析

HR3C是在TP310基礎(chǔ)上，通過(guò)復(fù)合添加Nb、N合金元素研制出的一種新型耐熱鋼。HR3C在ASME標(biāo)準(zhǔn)中的材料牌號(hào)為SA213-TP310HCbN，具有優(yōu)良的耐高溫性能，是目前超超臨界機(jī)組鍋爐煙溫較高區(qū)域的過(guò)熱器、再熱器的首選材料[1]。

某電廠某臺(tái)1000MW超超臨界變壓直流爐在某次A修后水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)爐B側(cè)從右向左數(shù)第四屏高溫再熱器爐后最外圈下彎頭泄漏，該高溫再熱器管子材質(zhì)為HR3C，規(guī)格φ57×4mm，截止泄漏時(shí)，共運(yùn)行約15000h。

1 宏觀檢查

該高溫再熱管泄漏位置在鍋爐B側(cè)從右向左數(shù)第四屏高溫再熱器爐后最外圈下彎頭。檢查發(fā)現(xiàn)泄漏管子的管徑無(wú)明顯脹粗，裂紋處管壁無(wú)減薄，彎管橫截面的不圓度較大，彎制時(shí)變形較大。彎管泄漏處背弧外表面呈褐色，氧化層較薄，裂紋位于管子背弧，裂紋呈十字形，長(zhǎng)裂紋約47mm，短裂紋約21mm，裂紋產(chǎn)生區(qū)域有明顯的碰撞痕跡(凹坑)，縱向裂紋貫穿管壁，從而發(fā)生泄漏。

2 化學(xué)成分分析

用Compact port BELEC直讀光譜分析儀對(duì)彎管進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。該高溫過(guò)熱器管主要元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)SA-213/SA-213M的要求。

表1 高溫再熱器化學(xué)成分 %

3 金相組織分析

按圖1(a)所示，在彎管裂紋處和距裂紋較遠(yuǎn)端頭分別取橫截面進(jìn)行金相分析，依次編為1號(hào)和2號(hào)。從拋光后未腐蝕的裂紋形貌，可以看出，裂紋起源于外壁，并由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，在主裂紋旁邊，分布有大量的二次裂紋。

圖1(b)和圖1(c)為裂紋處的金相組織，組織均為為奧氏體+析出相，基體中含有孿晶組織和彌散分布的顆粒狀析出物，晶界處形成連續(xù)的析出相，裂紋沿晶擴(kuò)展。此段彎管的晶粒度為5.5級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)SA-213/SA-213M的要求。

圖1 彎管宏觀形貌及裂紋處金相組織

4 掃描電鏡及能譜分析

在1號(hào)試樣裂紋附近進(jìn)行SEM和EDS分析。圖2(a)為裂紋處的SEM圖像，裂紋為沿晶開裂。圖2(b)為裂紋附近金相組織的SEM圖像，在奧氏體晶界處形成連續(xù)的析出相，在晶內(nèi)有大量彌散分布的顆粒狀析出相。選取晶內(nèi)、晶界的析出相及奧氏體基體進(jìn)行EDS分析(如圖2(b)中位置1、2和3)，分析結(jié)果顯示，晶內(nèi)析出相的主要成分為C、Nb、Cr、N等元素，說(shuō)明該粒子可能為MX相(NbC、NbN、NB(C、N)等)或NbCrN相(Z相)，是HR3C材料的主要強(qiáng)化相；晶界析出相含有大量的C、Cr、Fe等元素，說(shuō)明該粒子可能為M23C6型碳化物或Fe和Cr等元素組成的脆性相σ相。

圖2 裂紋及附近SEM形貌

5 機(jī)械性能分析

5.1 強(qiáng)度檢測(cè)

用AIS 3000 compact便攜式萬(wàn)能力學(xué)性能檢測(cè)儀對(duì)材料強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)部位為1號(hào)和2號(hào)位置的背弧和中性面，其中1號(hào)的背弧測(cè)試部位為裂紋附近。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，測(cè)試結(jié)果表明彎管各部位的強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)SA-213/SA-213M的要求，但是裂紋附近的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度明顯高于其他部位。

5.2 維氏顯微硬度檢測(cè)

分別對(duì)1號(hào)和2號(hào)管段的背弧、中性面和內(nèi)弧進(jìn)行維氏顯微硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。標(biāo)準(zhǔn)SA-213/SA-213M的相關(guān)條款規(guī)定，TP310HCbN的布什硬度應(yīng)不超過(guò)256HB(相當(dāng)于272HV)，表3的檢測(cè)結(jié)果顯示，1號(hào)背弧面的硬度值大于標(biāo)準(zhǔn)要求，表明彎管變形部位加工硬化較為嚴(yán)重，其余部位的硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 彎管室溫拉伸性能

試樣編號(hào)檢測(cè)部位抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa備注標(biāo)準(zhǔn)要求(SA-213)/≥655≥295/1號(hào)背弧866420裂紋附近中性面738370/2號(hào)背弧776382/中性面737372/

表3 彎管硬度檢測(cè)結(jié)果

試樣編號(hào)測(cè)試部位測(cè)試結(jié)果(HV)123平均值備注1號(hào)背弧339328335334裂紋附近中性面248247250248/內(nèi)弧248248252249/背弧266261267265/2號(hào)中性面233233232233/內(nèi)弧263262269265/

6 原因分析

高溫再熱器彎管彎頭管徑無(wú)明顯脹粗，管壁無(wú)減薄，該彎頭是利用彎管機(jī)直接冷彎成型，冷彎后未再進(jìn)行固溶處理，導(dǎo)致管彎制后存在的殘余應(yīng)力未消除性[2-4]，彎頭背弧面存在碰撞產(chǎn)生的凹坑，產(chǎn)生應(yīng)力集中。彎管的主裂紋存在于碰傷區(qū)，結(jié)合金相發(fā)現(xiàn)裂紋起源于管子外壁，判斷該彎頭裂紋起源于外壁凹坑處。

綜合金相、SEM、EDS以及機(jī)械性能的試驗(yàn)結(jié)果，管子在高溫高壓工況下運(yùn)行，隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，大量的析出相在晶界及晶內(nèi)析出，并在晶界處形成連續(xù)分布的析出相，使晶界粗化。晶界處的析出物為M23C6型碳化物及σ相，使Cr元素在晶界處的富集，導(dǎo)致臨近晶界的基體出現(xiàn)貧Cr區(qū)，使此處的固溶強(qiáng)化作用降低，晶界變成薄弱區(qū)；晶界處連續(xù)分布的析出相(M23C6相、σ相)，對(duì)基體變形產(chǎn)生抑制作用，從而提高了材料的強(qiáng)度和硬度，降低材料的韌性；同時(shí)由于σ相的存在，可能會(huì)發(fā)生σ相脆化損傷性[5-10]。因此，管子在啟停爐及水壓試驗(yàn)等受到?jīng)_擊載荷時(shí)，由于材料的韌性降低以及晶界的弱化效應(yīng)，在應(yīng)力集中區(qū)的晶界處會(huì)優(yōu)先形成裂紋源，并將沿著晶界發(fā)展。

7 結(jié)論及建議

管子在彎制過(guò)程中存在著殘余應(yīng)力，彎頭背弧面存在碰撞產(chǎn)生的凹坑，產(chǎn)生應(yīng)力集中。在長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行下，在晶界處析出大量連續(xù)分布的析出相(M23C6相、σ相)，導(dǎo)致其晶界弱化，材料韌性下降，在受沖擊載荷作用下，在應(yīng)力集中區(qū)的晶界處形成裂紋源，并沿著晶界發(fā)展，貫穿管壁導(dǎo)致泄漏失效。建議：割管更換泄漏的高再管，新?lián)Q彎頭須經(jīng)過(guò)固溶淬火處理；檢查其余高溫再熱器彎頭部位是否還存在碰傷現(xiàn)象，對(duì)碰傷處進(jìn)行滲透檢測(cè)，并在每次停爐后都對(duì)碰傷區(qū)進(jìn)行滲透檢測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行割管檢查；加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行管理，防止超溫超壓運(yùn)行。

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Failure analysis on the elbow bursting of final stage reheater tube of 1000MW ultra-supercritical boiler

Through the analysis of the failure and the macroscopic examination, chemical composition analysis, microstructure analysis, hardness test, SEM energy spectrum analysis and mechanical properties test method,the reason of the elbow bursting of final stage reheater tube used in an ultra supercritical boiler of a power plant was analyzed. The results show that the elbow bending process of the formation of residual stress, and due to the back arc collision pits resulted in stress concentrated, pipes in the furnace and the hydraulic pressure test of starting and stopping subjected to impact loading, the toughness of the material decreased and grain boundary weakening effect, in the region of the grain boundary will the preferential formation of the crack source, and along the grain boundaries of development, through the failure due to the pipe wall.

ultra-supercritical boiler；final stage reheater tube；HR3C；elbow；failure analysis

TM621

B

1674-8069(2017)02-060-03

2016-10-22；

2016-11-19

劉世剛(1982-)男，湖北十堰人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事電站鍋爐壓力容器無(wú)損檢驗(yàn)工作和金屬材料的失效分析工作。E-mail: 13570488907@163.com