某電廠2#機(jī)1#高加盤管開裂原因分析

周楊，王立坤

（1．盛虹煉化（連云港）有限公司機(jī)動(dòng)設(shè)備部，江蘇 連云港 222000；2.中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司壓力容器檢驗(yàn)所，新疆 克拉瑪依 833699）

某熱電廠2#機(jī)1#高加盤管發(fā)生泄漏。該設(shè)備1992年投用，水側(cè)壓力14MPa、溫度200℃，汽側(cè)壓力1.3~1.4MPa，溫度300℃，盤管規(guī)格Φ32×5，設(shè)計(jì)材料20G。

1 宏觀檢查

發(fā)現(xiàn)熱電廠2#機(jī)1#高加盤管與集合管焊口發(fā)生開裂泄漏，發(fā)生泄漏的盤管附近母管和層間隔板外表面明顯有被沖刷痕跡，見圖1。

圖1 高加開裂情況

觀察泄漏處發(fā)現(xiàn)焊口處微微發(fā)紅，用榔頭輕輕敲擊后焊口脫落，里面漏出了紅色轉(zhuǎn)塊狀物質(zhì)。將盤管氣割切斷，里面的塊狀物基本將盤管堵住。將失效盤管取回實(shí)驗(yàn)室檢查，其外表面被沖刷區(qū)有大量凹坑，見圖2。

圖2 盤管開裂情況

2 硬度檢測(cè)

使用430SVD數(shù)顯維氏硬度計(jì)按照GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)盤管進(jìn)行硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)位置選擇盤管橫截面進(jìn)行，外表面硬度平均值172.5HV10，中間硬度平均值170.2HV10，內(nèi)表面硬度平均值170.6HV10。盤管內(nèi)外表面硬度差異不大，根據(jù)DL/T674-199920號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，20G珠光體球化度1級(jí)時(shí)，硬度范圍不小于141HB，按照此標(biāo)準(zhǔn)盤管應(yīng)未發(fā)生珠光體球化。

2 化學(xué)的成分

取開裂盤管樣制成光譜分析樣品，按照GB/T4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法》，使用德國(guó)SPECTROLab.M11型固定式直讀光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行光譜分析，測(cè)得各元素含量見表1。

如盤管設(shè)計(jì)材料為20G，由表1數(shù)據(jù)可知，所檢樣品化學(xué)元素中Mn元素較標(biāo)準(zhǔn)高0.10，考慮到成品分析偏差，根據(jù)GB/T222-2006《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》，非合金鋼測(cè)試樣品Mn含量在0.75%時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)上限向上加0.03%，即成品分析合格含量可放大到0.68%，但檢測(cè)Mn含量結(jié)果仍不滿足GB5310-2008高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管中20G要求，高出0.07%。

3 金相檢驗(yàn)

取開裂盤管橫截面試樣，按照GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行金相檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)該盤管金相組織為鐵素體+珠光體，組織呈帶狀，珠光體區(qū)清晰可見，局部區(qū)域珠光體呈顆粒狀，大部分呈層片狀，按照DL/T674-1999《20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》珠光體球化等級(jí)評(píng)為1級(jí)，見圖3。

表1 盤管成分含量 ω/%

盤管內(nèi)外表面可見有氧化情況，氧化情況不嚴(yán)重，僅有1~3個(gè)晶粒程度，氧化過(guò)程無(wú)選擇性，基本為均勻腐蝕，見圖4。

圖3 盤管中間金相組織

圖4 盤管內(nèi)表面金相組織

4 厚度測(cè)試

按照GB/T11344-2008《無(wú)損檢測(cè)接觸式超聲脈沖回波法測(cè)厚方法》，使用MMX6對(duì)該高加開裂盤管進(jìn)行厚度測(cè)量。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，泄漏點(diǎn)周圍其他盤管厚度并未出現(xiàn)明顯變化，僅在本次開裂盤管對(duì)側(cè)盤管焊縫附近發(fā)現(xiàn)有厚度減薄情況，厚度已經(jīng)減薄至3.41mm。

5 工藝過(guò)程分析

高加管程走水，殼程走蒸汽，運(yùn)行過(guò)程中由于高壓加熱器開停車時(shí)，儀表水位監(jiān)測(cè)出現(xiàn)“虛假水位”，高加熱器危急疏水調(diào)節(jié)門質(zhì)量不佳，出現(xiàn)內(nèi)漏，都會(huì)造成高加內(nèi)盤管溫度快速變化，產(chǎn)生熱應(yīng)力。在這種循環(huán)熱應(yīng)力作用下，盤管特別是盤管與母管焊接的結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位容易發(fā)生疲勞損傷破壞。

6 檢驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)檢驗(yàn)，盤管基本符合GB5310-2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》中20G要求。未見有明顯劣化情況。內(nèi)外表面有較輕微氧化情況但不嚴(yán)重，不是造成本次事故的原因。由于取樣時(shí)將盤管斷口破壞，不能對(duì)斷口進(jìn)行詳細(xì)分析。宏觀檢查集合管和盤管有被沖刷情況，其他部位未見有沖刷，測(cè)厚檢測(cè)證明盤管壁厚無(wú)減薄，證明該處的沖刷是個(gè)案。通過(guò)對(duì)工藝過(guò)程的分析，盤管與母管的焊接部位由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，每組盤管的最外側(cè)一根承受了最大的沖刷、震動(dòng)、熱應(yīng)力。因此失效集中在盤管與母管之間。焊口開裂后盤管內(nèi)高壓水噴出，對(duì)附近的集合管和盤管以及層間板造成了沖刷。宏觀檢查時(shí)見到盤管內(nèi)有一個(gè)塊狀腐蝕產(chǎn)物，應(yīng)為Fe3O4，其來(lái)源有以下幾個(gè)方面：

（1）補(bǔ)水率低，爐水的濃縮，導(dǎo)致腐蝕性離子Cl-、SO42-在局部濃度升高，加速材料的腐蝕，產(chǎn)生Fe3O4。Fe3O4在水汽系統(tǒng)中的溶解度極小，會(huì)在介質(zhì)流速緩慢或者流體穩(wěn)定的地方沉積。

（2）由于凝汽器的泄漏，大量雜質(zhì)進(jìn)入到水中，當(dāng)有機(jī)物進(jìn)入介質(zhì)中時(shí)，會(huì)在熱力系統(tǒng)作用下分解出酸，對(duì)材料的腐蝕產(chǎn)物也為Fe3O4。

當(dāng)腐蝕產(chǎn)物在高加集合管向盤管出口處沉積并逐漸長(zhǎng)大，介質(zhì)流速增大，造成該處流體產(chǎn)生擾流，擾動(dòng)的流體對(duì)開裂盤管內(nèi)表面產(chǎn)生沖刷，導(dǎo)致材料從內(nèi)壁開始減薄。同時(shí)由于長(zhǎng)大腐蝕產(chǎn)物的存在，減少了集合管向盤管疏水量，不能將殼程傳導(dǎo)至盤管的熱量帶走，導(dǎo)致盤管溫度升高。隨著盤管溫度材料力學(xué)性能下降，加速了開裂。

綜上，集合管與盤管之間焊口處有大塊的腐蝕產(chǎn)物沉積，造成盤管溫度升高，力學(xué)性能下降，沖刷腐蝕加劇。并且焊縫處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，受高加工藝原因焊縫處存在震動(dòng)，最終在內(nèi)外部壓力差作用下導(dǎo)致焊口開裂。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）盤管出口處由于大塊腐蝕物沉積，造成焊縫區(qū)溫度升高，沖刷腐蝕加劇，在震動(dòng)和內(nèi)外部壓力差作用下導(dǎo)致焊縫開裂。

（2）加強(qiáng)啟動(dòng)機(jī)組系統(tǒng)水沖洗和機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中水質(zhì)監(jiān)督，嚴(yán)格執(zhí)行“給水不合格不進(jìn)爐，蒸汽不合格不并汽，凝結(jié)水、疏水不合格不回收”的原則。

（3）優(yōu)化高加啟動(dòng)和停機(jī)工藝過(guò)程，減少熱沖擊的影響。

（4）提高水位測(cè)量精度，保證高加內(nèi)部水汽平衡。