鍋爐集箱孔橋裂紋的檢驗(yàn)與分析

韋谞深

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院新鄉(xiāng)分院 新鄉(xiāng) 453003）

特檢之苑

鍋爐集箱孔橋裂紋的檢驗(yàn)與分析

韋谞深

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院新鄉(xiāng)分院 新鄉(xiāng) 453003）

本文通過對(duì)電站鍋爐的內(nèi)部檢驗(yàn)，采用超聲檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)高溫過熱器出口集箱孔橋部位存在超標(biāo)缺陷，經(jīng)射線探傷驗(yàn)證，孔橋處發(fā)現(xiàn)多道裂紋。對(duì)集箱更換后進(jìn)行了解剖，實(shí)際狀況與探傷結(jié)果一致，經(jīng)過對(duì)集箱蠕脹測(cè)量、金相檢驗(yàn)、機(jī)械性能試驗(yàn)等，對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了認(rèn)真分析，認(rèn)為集箱過熱器管孔周圍發(fā)射狀裂紋屬于蠕變裂紋，高溫和局部應(yīng)力集中是造成管孔周圍蠕變裂紋的主要原因，并從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、使用等環(huán)節(jié)提出了預(yù)防措施。

出口集箱 超聲檢測(cè) 管孔裂紋 蠕變 措施

筆者在對(duì)一家企業(yè)電站鍋爐的內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)高溫過熱器出口集箱孔橋部位進(jìn)行超聲檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在多道裂紋，筆者希望通過此缺陷的分析研究，能夠引起鍋爐設(shè)計(jì)制造單位、安裝單位、使用單位以及檢驗(yàn)單位對(duì)這一問題的關(guān)注，確保鍋爐長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

1 鍋爐概況

該鍋爐于1994年安裝并投入使用，型號(hào)為YG-35/3.82-M3，循環(huán)流化床鍋爐，過熱蒸汽出口壓力3.82MPa，出口溫度450℃。過熱器出口集箱材質(zhì)為15CrMoG，規(guī)格為273×16mm，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間130000h。

2 缺陷檢出過程

在對(duì)該鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，考慮到運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，檢驗(yàn)方案中要求對(duì)高溫過熱器出口集箱中間孔橋部位進(jìn)行超聲檢測(cè)抽查，檢測(cè)中對(duì)中間部位左數(shù)第15～16根、16～17根過熱器管孔橋進(jìn)行超聲檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有明顯的超標(biāo)缺陷，缺陷回波起波速度很快，波幅高遠(yuǎn)超判廢線，左右移動(dòng)探頭，有一定的延伸長(zhǎng)度，且具有面積形缺陷特征［1］。于是對(duì)全部孔橋進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)從左數(shù)第10～20根過熱器管之間的孔橋有超標(biāo)缺陷，為驗(yàn)證超聲檢測(cè)結(jié)果，對(duì)左數(shù)第15～16、16～17根過熱器管孔橋進(jìn)行射線探傷，發(fā)現(xiàn)均存在多道明顯的裂紋，裂紋最長(zhǎng)約為50mm［2］。針對(duì)以上所檢測(cè)到的危險(xiǎn)性缺陷，及時(shí)修改檢驗(yàn)方案，增加對(duì)表面式減溫器引入、引出管孔橋部位的超聲檢測(cè)，經(jīng)對(duì)左數(shù)第17～18根、19～20根低溫過熱器引入管孔橋部位，左數(shù)第16～17根、18～19根高溫過熱器引出管孔橋部位進(jìn)行超聲檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷。

3 處理結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)情況：高溫過熱器出口集箱左數(shù)第10～20根過熱器管之間的孔橋部位發(fā)現(xiàn)多道裂紋，應(yīng)進(jìn)行集箱更換。

4 切割解剖

圖1 左數(shù)第13～18根過熱器管孔內(nèi)側(cè)

圖2 左數(shù)第15～16根過熱器管孔內(nèi)側(cè)

圖3 左數(shù)第15～16根過熱器管孔橋橫截面

對(duì)該集箱更換后，經(jīng)對(duì)集箱外徑測(cè)量后，筆者進(jìn)行了解剖，結(jié)果與探傷情況一致，通過解剖筆者可以清楚地看到，左數(shù)第10～20根過熱器管集箱管孔周邊呈現(xiàn)多道發(fā)射狀裂紋，向四周擴(kuò)展，裂紋自內(nèi)向外縱深延伸，集箱中部最為嚴(yán)重，裂紋最長(zhǎng)達(dá)55mm，最深達(dá)14mm，最寬達(dá)1.50mm。見圖1、圖2、圖3。

5 試驗(yàn)與檢測(cè)

為了分析集箱孔橋裂紋產(chǎn)生的原因，筆者對(duì)更換下來(lái)的集箱進(jìn)行了如下試驗(yàn)與檢測(cè)工作：

5.1 蠕脹測(cè)量

為了檢測(cè)集箱的蠕脹情況，對(duì)更換下來(lái)的高溫過熱器出口集箱進(jìn)行外徑測(cè)量，自左至右等分測(cè)量5個(gè)截面，見表1。

表1 蠕脹測(cè)量

由表1中測(cè)量值看出，集箱兩端外徑值較小，中間外徑值較大，相對(duì)于公稱直徑273mm，最大脹粗值為3.72mm，最大脹粗率為1.40%，表明集箱發(fā)生了較大的蠕脹，產(chǎn)生蠕脹裂紋的管孔區(qū)脹粗更為嚴(yán)重。

5.2 金相檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)450℃高溫對(duì)15CrMoG材質(zhì)金相組織的影響，筆者對(duì)集箱中部進(jìn)行金相檢驗(yàn)，采用機(jī)械拋光，4%硝酸酒精溶液浸蝕，金相顯微倍數(shù)為500倍，見圖4。由金相圖片可以看出，集箱材料金相組織中珠光體傾向性球化，屬2級(jí)，表明金相組織基本正常，未發(fā)生劣化［3］。

圖4 15CrMoG集箱金相圖

5.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證集箱材料在室溫下的強(qiáng)度，割取未產(chǎn)生蠕變裂紋的集箱部位制取拉力試樣3個(gè)，進(jìn)行屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，室溫下集箱材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)值范圍之內(nèi)［4］。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)

6 原因分析

通過對(duì)集箱的測(cè)量、檢驗(yàn)與試驗(yàn)，可以清楚看到，其金相組織基本正常，材質(zhì)無(wú)劣化現(xiàn)象，室溫下抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也在標(biāo)準(zhǔn)值范圍之內(nèi)，但集箱管材發(fā)生了蠕變現(xiàn)象。

該鍋爐高溫過熱器出口集箱，材質(zhì)為15CrMoG，屬于耐熱低合金鋼，在鍋爐額定壓力為3.82MPa，額定溫度為450℃的參數(shù)下長(zhǎng)期運(yùn)行，必然發(fā)生蠕變現(xiàn)象。蠕變是材料在高溫下長(zhǎng)時(shí)間承受恒溫、恒載荷作用，緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。是在溫度T≥（0.30～0.50）t（t為熔點(diǎn)，T為溫度）及遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下，材料隨加載時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢地產(chǎn)生塑性變形。通常碳素鋼超過300～350℃、合金鋼超過400～450℃時(shí)才有蠕變行為，在高溫條件下，材料都有著與常溫下不同的蠕變行為，借助于高溫作用和外力作用，材料的抗形變能力得到削弱，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生遷移，晶界相對(duì)移動(dòng)，便發(fā)生蠕變，材料的應(yīng)變?chǔ)烹S時(shí)間t變化的典型蠕變曲線，如圖5所示［5-6］。曲線的終端表示材料發(fā)生斷裂，t=0時(shí)的應(yīng)變表示加載結(jié)束時(shí)的即時(shí)應(yīng)變，它包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變。蠕變曲線可分為三個(gè)階段：Ⅰ為非定常蠕變階段，應(yīng)變率隨時(shí)間的增加而減??；Ⅱ?yàn)槎ǔＨ渥冸A段，應(yīng)變率保持常值；在最末階段Ⅲ，應(yīng)變率隨時(shí)間增加而增大，最后材料發(fā)生斷裂。通常，升高溫度或增加應(yīng)力都會(huì)使蠕變加快并縮短達(dá)到斷裂的時(shí)間。若應(yīng)力較小或溫度較低，則蠕變的第二階段(Ⅱ)持續(xù)較久，甚至不出現(xiàn)第三階段（Ⅲ）。

圖5 材料應(yīng)變?chǔ)烹S時(shí)間t變化的典型蠕變曲線

高溫過熱器出口集箱正下部與30根高溫過熱器出口管子相連，集箱開孔部位是強(qiáng)度薄弱區(qū)，集箱管孔內(nèi)側(cè)周圍屬于應(yīng)力集中區(qū)，特別是管孔內(nèi)側(cè)加工粗糙時(shí)應(yīng)力集中更為嚴(yán)重，所以出口集箱開孔部位在長(zhǎng)期運(yùn)行下除了發(fā)生蠕變，管孔內(nèi)側(cè)周圍還會(huì)因蠕變而發(fā)生蠕變裂紋。由于主蒸汽管道從出口集箱中部向上引出（見圖6），對(duì)出口集箱中部必然會(huì)產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)力，所以發(fā)生蠕變裂紋的嚴(yán)重部位發(fā)生在集箱中部。

圖6 主蒸汽管道自集箱中部引出圖

7 結(jié)論

通過分析以及對(duì)集箱的測(cè)量、檢驗(yàn)與試驗(yàn)，可以清楚地看到，15CrMoG集箱管材，在壓力為3.82MPa，溫度為450℃使用參數(shù)下長(zhǎng)期運(yùn)行，金相組織基本正常，材質(zhì)無(wú)劣化現(xiàn)象，室溫下抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也在標(biāo)準(zhǔn)值范圍之內(nèi)，但集箱管材會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。對(duì)集箱開孔，尤其是開孔內(nèi)側(cè)周圍加工較粗糙、存在顯微裂紋源的應(yīng)力集中部位，會(huì)產(chǎn)生更大的蠕變損傷，在開孔內(nèi)側(cè)周圍產(chǎn)生發(fā)射狀蠕變裂紋。對(duì)于主蒸汽管道自集箱中部向上引出，對(duì)集箱產(chǎn)生附加應(yīng)力的中部孔橋部位發(fā)生蠕變裂紋的現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

8 建議和注意事項(xiàng)

8.1 運(yùn)行中溫度和壓力控制

對(duì)于耐熱低合金鋼15CrMoG管材，在一定應(yīng)力下，長(zhǎng)期高溫運(yùn)行，必然發(fā)生蠕變現(xiàn)象。應(yīng)力越高、溫度越高，蠕變就越嚴(yán)重。試驗(yàn)證明，合金鋼材料低于400℃以下運(yùn)行，即使裂紋尖端附近存在較高應(yīng)力，部件材料也不會(huì)產(chǎn)生蠕變損傷，其壽命也幾乎不受影響；但合金鋼材料使用溫度高于400～450℃，在一定應(yīng)力下就會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，并且每升高12℃，或應(yīng)力升高15%，合金鋼材料使用壽命將縮短一半［7］。所以在鍋爐運(yùn)行中，避免超壓和超溫，以最大限度延長(zhǎng)材料的使用壽命。

8.2 彈簧支吊架預(yù)壓縮值的設(shè)定

如果主蒸汽管道自過熱器出口集箱中部向上引出，應(yīng)注意管道支吊架的合理設(shè)計(jì)，尤其是管道出口第一只彈簧支吊架的預(yù)壓縮值，應(yīng)能全部承擔(dān)支吊架兩側(cè)管道及其保溫的重量，同時(shí)，垂直管道部分的熱膨脹帶來(lái)的向上位移，在彈簧支吊架預(yù)壓縮時(shí)應(yīng)予考慮，以防止運(yùn)行時(shí)對(duì)集箱產(chǎn)生附加應(yīng)力［8]。

8.3 開孔加工

對(duì)于鍋爐制造單位，在對(duì)過熱器出口集箱、集汽集箱及再熱器出口集箱開孔加工時(shí)，應(yīng)注意內(nèi)孔口邊沿光滑，有條件時(shí)最好圓滑過渡，避免帶毛刺甚至開裂［9]。

8.4 定期檢驗(yàn)

鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)于碳素鋼超過300℃、合金鋼超過400℃以上的集箱［5-6］，在運(yùn)行時(shí)間超過5萬(wàn)h時(shí)，對(duì)過熱器、再熱器出口集箱引入管孔橋部位每2個(gè)內(nèi)部檢驗(yàn)周期進(jìn)行超聲檢測(cè)抽查，重點(diǎn)抽查集箱中部引入管孔橋部位；運(yùn)行時(shí)間超過10萬(wàn)h時(shí)，對(duì)過熱器、再熱器出口集箱引入管孔橋部位以及集汽集箱引入、引出管孔周圍每次內(nèi)部檢驗(yàn)都應(yīng)進(jìn)行超聲檢測(cè)抽查［10］，重點(diǎn)抽查集箱中間部位。

8.5 超聲檢測(cè)的工藝要求

在對(duì)集箱進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，所選探頭晶片曲率盡量與集箱曲率一致，以保證探頭與集箱表面能夠良好耦合。掃查時(shí)應(yīng)盡量采用直射波，所選探頭K值宜采用K=1［1］。

8.6 使用過程監(jiān)督

有條件的鍋爐使用單位，在鍋爐運(yùn)行時(shí)間超過5萬(wàn)h的停爐期間，采用超聲檢測(cè)方法對(duì)過熱器、再熱器出口集箱引入管孔橋部位進(jìn)行探傷，以便盡早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理；對(duì)集箱外徑進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，做好記錄并計(jì)算蠕脹率，當(dāng)蠕脹率超過1%時(shí)［10］，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督并申請(qǐng)檢驗(yàn)單位進(jìn)行檢驗(yàn)，確保鍋爐安全運(yùn)行。

[1]NB/T 47013.3—2015 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)[S].

[2]NB/T 47013.2—2015 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)[S].

[3]DL/T 787—2001 火力發(fā)電廠用15CrMo鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]GB/T 228.1—2010 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法[S].

[5]王從曾.材料性能學(xué)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2007：124-133.

[6]胡賡祥，蔡珣，戎詠華.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2007：214-216.

[7]GB/T 30579—2014 承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別[S].

[8]DL/T 5054—2016 火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]GB/T 16507.3—2013 水管鍋爐 第3部分：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[S].

[10]TSG G7002—2015 鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則[S].

Inspection and Analysis of Cracks in the Boiler Header

Wei Xushen
(Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing Xinxiang Branch Xinxiang 453003)

During the internal inspection for the power plant boiler, excessive defects were found in the high temperature superheater outlet header ligament by ultrasonic testing, where many cracks were detected by radiographic inspection. After the dissection of the header, the actual situation was the same as and the detection result. The cause of the crack was carefully analyzed combining creep expension measurement, metallographic examination and mechanical performance test. It was considered that surrounding cracks around the pipe hole of superheater header were creep crack, and the high temperature and local stress concentration were the main reasons. Preventive measures were put forward in the aspects of design, manufacture, inspection and use.

Exit header Ultrasonic testing Tube hole crack Creep Measures

X933.2

B

1673-257X(2017)09-0072-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.09.014

韋谞深（1965～)，男，本科，工程師，從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。

韋谞深，E-mail： wxsh298298@126.com。

2017-04-11）