某電廠高溫再熱器出口TP347H材質(zhì)管段泄漏原因分析

魏泉泉，牛玉靜

(河南恩湃高科集團(tuán)有限公司， 鄭州 450052)

某電廠高溫再熱器出口TP347H材質(zhì)管段泄漏原因分析

魏泉泉，牛玉靜

(河南恩湃高科集團(tuán)有限公司， 鄭州 450052)

對已建成的發(fā)電廠進(jìn)行通流改造、增容改造，具有投資少，見效快等優(yōu)點(diǎn)，是提高效率、節(jié)能降耗、增加電力供應(yīng)的有效方法之一。鍋爐受熱面增容后，由于溫度和壓力等參數(shù)的提高，所使用金屬材料的性能，需滿足更高的要求。某電廠增容改造后，高溫再熱器出口TP347H材質(zhì)管段泄漏，通過對該管段現(xiàn)場查看，對斷面宏觀、化學(xué)成分、金相組織、硬度檢測等試驗(yàn)后表明，管材在冷作加工后固溶處理不充分，性能下降，是造成管材泄漏的原因。

高溫再熱器；TP347H；冷作加工；固溶處理；泄漏

0 引言

火力發(fā)電廠是一次能源的消耗大戶, 對已建成的發(fā)電廠進(jìn)行通流改造、增容改造，是實(shí)現(xiàn)提高效率、節(jié)能降耗、增加電力供應(yīng)有效方法之一。

某電廠#9鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的300 MW、亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)、全懸吊、平衡通風(fēng)、燃煤汽包鍋爐，鍋爐型號(hào)為DG1025/18.2-Ⅱ4。2014年，該電廠為提高機(jī)組效率、節(jié)能降耗，對#9機(jī)組汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行改造，改造后該機(jī)組鍋爐因高壓缸排汽溫度降低，使得再熱汽溫明顯偏低，嚴(yán)重影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。為解決通流改造后出現(xiàn)再熱器欠溫的問題，2014年4月，再熱器進(jìn)行增容改造，將中溫再熱器的14根套管增加到16根套管，新增2根套管出中溫再熱器后，經(jīng)過規(guī)格變化后再進(jìn)入爐內(nèi)，成為高溫再熱器外圈管，最后出爐跟原高溫再熱器第1根三通管合并進(jìn)入高溫再熱器出口集箱。

機(jī)組經(jīng)增容改造后，于2014年4月30日投運(yùn)。 2014年10月底，電廠巡檢人員發(fā)現(xiàn)鍋爐大罩處冒蒸汽，經(jīng)停爐檢查，發(fā)現(xiàn)改造后新加裝的高溫再熱器出口段管子開裂泄漏。

1 檢查情況

1.1 宏觀檢查

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，高溫再熱器出口段南數(shù)第10屏(共58屏)外數(shù)第1根距頂棚管上方約200 mm的變徑管處發(fā)生開裂，導(dǎo)致泄漏，該泄漏的變徑管材質(zhì)為TP347H，規(guī)格為?70 mm×5 mm/?60 mm×5 mm的變徑管。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，變徑管細(xì)管側(cè)開裂泄漏，裂紋無分支，由裂紋開口大小和形態(tài)判斷，裂紋最先起始于圖1中“O”點(diǎn)，逐步沿管子橫向向兩側(cè)發(fā)展至約管徑的2/3周后，繼而轉(zhuǎn)向管子縱向發(fā)展。裂紋管段內(nèi)、外表面沒有明顯氧化腐蝕、脹粗和減薄現(xiàn)象。

圖1 泄漏位置及裂紋形貌

1.2 斷口檢查

沿裂紋從管子背面切開后觀察斷口，斷口無塑性變形，色澤發(fā)灰，斷面平整，且與管子軸向垂直，斷口呈人字和放射花樣，裂紋由管子外壁向內(nèi)壁延伸至裂透。用宏觀體式顯微鏡(放大10倍)觀察斷面平整、裂紋源點(diǎn)平齊、干凈，無機(jī)械損傷痕跡，呈典型脆性斷口特征，斷面形貌與裂紋源點(diǎn)宏觀體式顯微鏡照片如圖2所示。

1.3 材質(zhì)檢查

采用數(shù)字式合金光譜分析儀對泄漏管進(jìn)行了主要合金元素成分檢測，檢測結(jié)果符合ASME SA213-2007標(biāo)準(zhǔn)要求,具體見表1。

圖2 斷面形貌與裂紋源點(diǎn)宏觀體式顯微鏡照片

表1 主要合金成分檢測結(jié)果

1.4 硬度檢查情況

將泄漏管樣的?60 mm側(cè)、過渡區(qū)、?70 mm側(cè)制成試樣，采用臺(tái)式數(shù)顯硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 硬度檢測結(jié)果 HB

1.5 金相檢查情況

將泄漏管裂紋源點(diǎn)、?60 mm側(cè)、?70 mm側(cè)分別取樣做金相，各金相圖如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 裂紋源點(diǎn)

圖4 ?60 mm側(cè)(距斷面約2 mm)

圖5 ?70 mm側(cè)

對泄漏管裂紋源點(diǎn)在拋光態(tài)下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷口側(cè)邊緣有多條與斷口方向一致的沿晶微觀裂紋。泄漏管?60 mm側(cè)(距斷面約2 mm)，金相組織呈敏化態(tài)組織特征，碳化物沿奧氏體晶界斷續(xù)呈網(wǎng)狀析出，并有奧氏體滑移線。泄漏管?70 mm側(cè)，金相組織為固溶態(tài)組織，晶界有少量碳化物，無奧氏體滑移線，清晰可見到孿晶。

2 原因分析

泄漏管段材質(zhì)為TP347H，規(guī)格為?70 mm×5mm/?60 mm×5 mm的變徑管，變徑管按加工工藝技術(shù)要求將?70 mm×5 mm的直管冷加工縮徑為?60 mm×5 mm后再進(jìn)行固溶處理。

TP347H鋼含有元素Nb，含碳量也相對較高，因此有較強(qiáng)的冷作硬化傾向[1]。由于冷作加工，管徑和壁厚越大，其冷成型應(yīng)力越大，其抗應(yīng)力腐蝕性能越低，為恢復(fù)材料性能，必須進(jìn)行固溶處理。按ASME SA213—2007標(biāo)準(zhǔn)要求，TP347H材料鋼管固溶處理后，布氏硬度不大于192HB。

固溶處理是將奧氏體不銹鋼加熱至高溫，使所在的碳化物快速溶入奧氏體中并進(jìn)行擴(kuò)散使之均勻化，而后以較快的速度冷卻，防止碳化物等重新沉淀析出，以獲得均勻奧氏體單相組織。有研究表明，不進(jìn)行去應(yīng)力熱處理的冷加工管件，加工硬化和冷作應(yīng)力會(huì)加大應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，在運(yùn)行時(shí)易促進(jìn)裂紋的萌生和發(fā)展[2]。

檢查情況可以看出，泄漏斷口為脆性斷裂，裂紋

源點(diǎn)有多條與斷面方向一致的微觀沿晶裂紋，說明泄漏管段存在較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。高溫再熱器出口管段冷作加工縮徑區(qū)域，硬度均高于其他部位，且硬度結(jié)果高于ASME SA213-2007標(biāo)準(zhǔn)要求，冷作加工區(qū)域金相組織中有固溶處理未消除的滑移線，硬度及金相檢查結(jié)果表明，變徑管冷作加工后固溶處理不充分，冷作應(yīng)力未消除。

較大的冷作應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力疊加，在高溫環(huán)境下，會(huì)加快組織老化，使縮徑區(qū)域金相組織碳化物沿奧氏晶界呈斷續(xù)網(wǎng)狀析出，從而降低材料性能。在固溶處理時(shí)，冷卻速度慢，會(huì)造成碳化物大量析出，使晶界弱化，在冷作應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和高溫環(huán)境下，易造成管段開裂，最終導(dǎo)致泄漏。

3 建議

綜合上述分析，造成高溫再熱器出口管段發(fā)生開裂的主要原因是管段變徑管冷加工后固溶處理不充分，材料性能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)而發(fā)生開裂。為防止泄漏問題的再次發(fā)生，建議對高溫再熱器出口管段、材質(zhì)為TP347H的變徑管冷加工區(qū)域做硬度檢測和相應(yīng)的表面探傷檢測，對硬度和探傷結(jié)果異常的變徑管重新進(jìn)行固溶處理或更換。

4 結(jié)束語

TP347H鋼因具有較好的抗晶間腐蝕性能、較高的蠕變強(qiáng)度、良好的組織穩(wěn)定性和抗氧化性能、優(yōu)良的焊接性能，被大型發(fā)電站廣泛應(yīng)用。由于TP347H鋼對應(yīng)力腐蝕極為敏感，管件冷作加工后，易產(chǎn)生較強(qiáng)的加工硬化，如沒有進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，管件殘留的加工硬化和冷作應(yīng)力會(huì)加大應(yīng)力腐蝕的開裂風(fēng)險(xiǎn)。通過對變徑管進(jìn)行硬度檢測和相應(yīng)的表面探傷檢測，可有效防止高溫再熱器出口管材開裂，系統(tǒng)可靠性大為提高。

[1]李小眉.鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金管子[J].武鍋技術(shù),2003(2):13-22.

[2]馬紅,張磊,鄭坊平,等.18-8型奧氏體不銹鋼鍋爐管服役特性研究(六)[J].熱力發(fā)電,2012,41(6):32-35.

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2017-02-24；

2017-05-03

TK 225

B

1674-1951(2017)05-0052-03

魏泉泉(1978—)，男，河南鄭州人，助理工程師，從事火電廠金屬材料檢驗(yàn)和金屬部件失效分析工作(E-mail:77082502@qq.com)。