堿回收鍋爐高溫過熱器爆管失效分析

童金元

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

堿回收鍋爐高溫過熱器爆管失效分析

童金元

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

為分析某電廠堿回收鍋爐高溫過熱器爆管原因，采用宏觀分析、理化檢測和微觀組織分析等方法，對爆管過熱器彎頭進行研究分析。研究發(fā)現(xiàn)：1#、2#過熱器爆管處材質(zhì)在高溫下均未產(chǎn)生材質(zhì)劣化現(xiàn)象。1#過熱器上白色覆蓋物呈強堿性且彎頭處存在多種應(yīng)力，這表明該處環(huán)向裂紋是在堿性腐蝕介質(zhì)下產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂；2#過熱器爆口處管外壁明顯減薄且位于向火側(cè)，這表明該處爆口是由于煙氣沖刷使彎頭管壁減薄造成。

堿回收鍋爐；高溫過熱器；應(yīng)力腐蝕

某堿回收鍋爐投入使用約三年后，高溫過熱器管中有兩處產(chǎn)生泄漏，一處是由于高溫過熱器U型管內(nèi)側(cè)產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致，如圖1所示。另一處是由于高溫過熱器U型管外側(cè)產(chǎn)生爆口導(dǎo)致，如圖2所示。高溫過熱器彎管材料均為12Cr1MoVG，規(guī)格為Φ42×5。該堿回收鍋爐產(chǎn)汽量為32t/h，蒸汽壓力3.82MPa，蒸汽溫度435～460℃?，F(xiàn)將產(chǎn)生泄漏處高溫過熱器取回進行失效分析，將U型管內(nèi)側(cè)產(chǎn)生裂紋的高溫過熱器編為1#，將U型管外側(cè)產(chǎn)生爆口的高溫過熱器編為2#。

圖1 1#過熱器內(nèi)側(cè)開裂圖

該堿回收鍋爐是以堿法造紙洗漿后排出的廢液(黑液)，經(jīng)濃縮后作為燃料，送入爐內(nèi)燃燒，既可以燃燒發(fā)電供熱，又可以回收造紙使用的堿。堿回收鍋爐燃燒所用的黑液是由70%左右的有機酸、木素等有機物和30%左右的Na2CO3、NaOH、Na2S等無機物組成，經(jīng)多級蒸發(fā)濃縮成黑液固形物在鍋爐里裂解燃燒。

圖2 2#過熱器外側(cè)爆口圖

1 化學(xué)成分分析

1.1 鋼管表面覆蓋物成分分析

從現(xiàn)場帶回的1#和2#鋼管表面均有一層白色厚厚的覆蓋物，對其進行化學(xué)成分分析，分析表明白色覆蓋物主要成分為Na、O及少量C、S。將這些白色覆蓋物取下，溶入水中，測得其PH≈14，這說明白色覆蓋物是以NaOH為主要成分的強堿性物質(zhì)。以上分析結(jié)果表明：白色覆蓋物為含C、S較高的強堿性固體物。

1.2 鋼管材質(zhì)化學(xué)成分分析

表1 樣品直管段化學(xué)成分(wt%)

表1為1#、2#鋼管直管段化學(xué)成分，鋼管的化學(xué)成分符合GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中12Cr1MoVG的要求。

2 力學(xué)性能分析

表2 樣品直管段力學(xué)性能

表2為1#、2#鋼管直管段力學(xué)性能，鋼管的力學(xué)性能符合GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中12Cr1MoVG的要求。

3 宏觀分析

圖3 1#過熱器內(nèi)側(cè)橫向裂紋圖

圖4 1#過熱器內(nèi)側(cè)表面裂紋圖

圖5 1#過熱器開裂處內(nèi)壁圖

將1#過熱器彎管在1：1的鹽酸水溶液中熱蝕，清洗后發(fā)現(xiàn)U型管內(nèi)側(cè)兩個起彎處的外壁均存在多條環(huán)向裂紋，這些環(huán)向裂紋呈平行分布，如圖3、圖4所示。泄漏處位于U型管左側(cè)起彎處主裂紋上，該處裂紋已經(jīng)貫穿整個管壁，在管外壁主裂紋附近伴隨著互相平行的未貫穿的環(huán)向裂紋，如圖3所示。由圖3還可知，泄漏處彎管未產(chǎn)生明顯塑性變形，斷口呈明顯脆性斷裂特征。將斷裂處彎頭切開，管內(nèi)壁主裂紋附近并未發(fā)現(xiàn)伴隨裂紋，這說明裂紋起源于管外壁起彎處，由管外壁向管內(nèi)壁擴展，導(dǎo)致高溫過熱器泄漏，如圖5所示。

由圖2可知，U型管外側(cè)爆口附近管徑未產(chǎn)生明顯漲粗，僅爆口處產(chǎn)生變形。將2#過熱器彎管經(jīng)1：1的鹽酸水溶液中熱蝕，清洗后將U型管兩側(cè)彎頭處切開發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生爆口一側(cè)管壁明顯減薄，最薄處厚度僅為1.2mm，如圖6所示。高溫過熱器U型管是通過冷彎加工制造，加工過程中彎頭處管內(nèi)徑、外徑、壁厚均會發(fā)生變化，測量對比彎頭處內(nèi)外徑無法確認管壁減薄是由于管內(nèi)壁減薄還是管外壁減薄造成。在距離兩側(cè)彎頭50mm的兩側(cè)接近直管段處取橫截面進行測量，如圖7所示。兩側(cè)直管段內(nèi)徑分別為32.2mm和32.0mm，兩處直管段內(nèi)徑基本相同，而距爆口處50mm直管段外徑僅39.3mm，另一側(cè)外徑為41.4mm。這說明爆口處管壁是在外壁產(chǎn)生減薄。

圖6 2#過熱器彎頭截面圖

圖7 2#過熱器距彎頭50mm處截面圖

4 微觀組織分析

圖8 1#為過熱器直管段顯微組織

圖9 1#過熱器裂紋處顯微組織

圖10 2#為過熱器直管段顯微組織

圖11 2#過熱器爆口處附近顯微組織

圖8為1#為過熱器直管段顯微組織，組織為鐵素體加珠光體，晶粒度為8.0級，內(nèi)外壁全脫碳層為0mm，圖9為2#過熱器裂紋處顯微組織，組織為鐵素體加珠光體，晶粒度為7.5級。圖10為2#為過熱器直管段顯微組織，組織為鐵素體加珠光體，晶粒度為8.0級，圖11為2#過熱器爆口處附近顯微組織，組織為鐵素體加珠光體，晶粒度為7.5級，外壁全脫碳層為0mm，內(nèi)壁全脫碳層為0.3mm。以上微觀分析表明1#、2#過熱器直管段和泄漏處顯微組織均為正常組織，并未產(chǎn)生球化、石墨化等材質(zhì)劣化現(xiàn)象。

5 分析討論

根據(jù)以上分析可知，1#、2#過熱器管所用鋼管化學(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織均符合GB5310-2008中對12Cr1MoVG的要求。1#過熱器環(huán)向裂紋位于U型彎頭起彎處內(nèi)側(cè)，該位置受力狀態(tài)復(fù)雜，存在多種應(yīng)力：U型管冷彎成型的彎曲殘余應(yīng)力、鍋爐運行時管內(nèi)蒸汽壓力、溫差應(yīng)力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力等。管外壁覆蓋著以NaOH為主要成分的強堿性物質(zhì)，為裂紋的萌生提供了腐蝕環(huán)境[1]。而裂紋萌生于管外壁，裂紋處管道無明顯塑性變形，環(huán)向裂紋成群出現(xiàn)且互相平行，這些特征均表明1#過熱器環(huán)向裂紋為堿應(yīng)力腐蝕開裂[2-4]。1#過熱器管壁上的C、S等強堿性覆蓋物是由于堿回收鍋爐燃料煙灰積存造成，煙灰存在芒硝和碳酸鈉，并含有一定硫化物成分，積灰中的堿金屬鈉和硫化物經(jīng)過反應(yīng)后對過熱器高溫管壁造成腐蝕。同時積灰位于彎頭內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中處，在腐蝕和應(yīng)力的共同作用下造成1#過熱器開裂。

2#過熱器爆口位于彎頭外側(cè)，爆口處管壁明顯減薄，且是由于管外壁減薄造成而非管內(nèi)壁腐蝕，而該爆口處位于向火側(cè)，爆口外側(cè)較為光亮，附近無裂紋，這說明該處減薄是由于煙氣沖刷造成的管壁減薄，當(dāng)管壁減薄至不能承受管內(nèi)蒸汽壓力而產(chǎn)生爆口。

6 結(jié)論

1.1#過熱器環(huán)向裂紋是在堿性腐蝕介質(zhì)下產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂；

2.2#過熱器爆口由于煙氣沖刷造成彎頭外壁減薄，不能承受管內(nèi)蒸汽壓力而產(chǎn)生爆口。

為避免在以后的生產(chǎn)中該鍋爐過熱器相似部位產(chǎn)生爆管，應(yīng)增加清除過熱器彎頭上覆蓋的堿性附著物的頻次，同時在煙氣沖刷較為嚴重區(qū)域，在相應(yīng)過熱器彎頭處外表面增加保護套管，防止過熱器彎管直接受煙氣沖刷而產(chǎn)生減薄。

[1]肖暉, 李玉軍. 堿液應(yīng)力腐蝕裂紋成因及機理[J].中國特種設(shè)備安全,2010,27(2):44-46.

[2]余光榮. 堿回收鍋爐高溫過熱器出口集箱改造[J].中華紙業(yè), 2004,25(7): 44-47.

[3]鄭相鋒. 超臨界鍋爐頂棚過熱器彎管斷裂失效分析[J].熱加工工藝,2011(22):103-105.

[4]劉敏. 蒸汽鍋爐鍋筒開裂失效分析[J].物理測試,2013,31(5): 30-32.

[責(zé)任編輯：劉良瑞]

2017-06-28

童金元，男，湖北黃岡人，高級技師。研究方向：金屬材料。

TM621.29

：A

：1672-1047(2017)04-0128-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2017.04.34