火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管泄漏原因分析

徐勃，趙海，高強(qiáng)

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2.黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，黑龍江省 齊齊哈爾市 161000）

0 引言

鍋爐受熱面作為火力發(fā)電廠鍋爐中一個(gè)基本部位經(jīng)常處于復(fù)雜、惡劣的環(huán)境之中[1]。鍋爐受熱面管包括省煤器管、水冷壁管、過熱器管和再熱器管。多年來，受熱面管的損壞泄漏一直是影響火力發(fā)電廠安全運(yùn)行的一大因素。受熱面管的泄漏是造成電廠非正常停機(jī)(非停)的最普通、最常見的形式，一般占機(jī)組非停事故的50%以上，最高可達(dá) 80%[2]。受熱面管的失效嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因而備受電廠重視。造成受熱面管泄漏失效的主要原因有磨損、過熱、應(yīng)力、疲勞、腐蝕、焊接缺陷、材料原始缺陷等[3-5]。

1 事故經(jīng)過

某電廠300MW鍋爐于2007年9月投產(chǎn)，是采用美國燃燒工程公司引進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的。鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為煙煤。末級過熱器位于水冷壁排管后方的水平煙道內(nèi)，一共有 90片，材質(zhì)、規(guī)格分別為12Cr1MoV Φ 51×9mm 和 SA-213 T23 Φ 51×8 mm，以152.4 mm的橫向節(jié)距沿整個(gè)爐寬方向布置。此次泄漏位置為末級過熱器高溫段。

事故當(dāng)天 19:00時(shí)，1號爐爐管泄漏監(jiān)測測點(diǎn)“26”、“27”、“16”點(diǎn)發(fā)出報(bào)警，報(bào)警點(diǎn)位于尾部煙道后墻40～53 m標(biāo)高處，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)未見異常。打開本體人孔門檢查，確認(rèn)鍋爐發(fā)生泄漏，22:56時(shí)停止1號機(jī)組運(yùn)行。入爐檢查發(fā)現(xiàn)1號爐末級過熱器泄漏，需將外部管割除才能處理漏點(diǎn)，共割管18根。對漏泄管以及臨近管取樣并進(jìn)行失效分析。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 宏觀分析

進(jìn)行試驗(yàn)的 3段末級過熱器管，材質(zhì)為12Cr1MoV，規(guī)格為Φ51×9mm。其中有一段過熱器管為泄漏管段，編號25-6，其余2段過熱器管為與泄漏管段相鄰的未泄漏管段(分別編號 24-6和26-6)，各管段位置編號及位置關(guān)系見表1。

表1 管段位置關(guān)系一覽表Tab. 1 Position relationship list

宏觀檢查中未發(fā)現(xiàn)編號24-6和26-6的試樣有明顯脹粗，但管段迎煙氣側(cè)均有不同程度的氧化；編號25-6的試樣存在明顯異常，圖1(a)為該管段迎煙氣面的宏觀形貌，可觀察到管段中上部有爆口，管徑有明顯的脹粗，測量后發(fā)現(xiàn)爆口處脹粗量為5.9%，其他位置脹粗量為3.5%。圖1(b)是圖 1(a)中爆口處的局部形貌，可以看到爆口邊緣是不平整鈍邊，爆口處管壁厚度減薄不明顯，爆口及附近管外壁氧化皮較厚，且有部分已經(jīng)脫落，如圖 1(c)所示，這說明氧化皮很脆，爆口呈較明顯的長時(shí)過熱特征。

圖1 25-6號樣品沿長度方向及局部宏觀照片F(xiàn)ig. 1 Macrophotograph of sample No. 25-6

2.2 化學(xué)成分分析

從編號25-6的樣品上鉆取金屬屑，分別采用CS230對C、S，采用 Optima 8300DV對 Cr、Mo、V、Mn，采用7230G分光光度計(jì)對P進(jìn)行化學(xué)成分測定分析；采用合金分析儀對編號24-6、26-6的樣品進(jìn)行化學(xué)成分測定分析，其結(jié)果見表 2。根據(jù)GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoV化學(xué)成分的要求，3根管材的化學(xué)成分基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其中編號25-6的樣品中S、P元素略高于標(biāo)準(zhǔn)成分要求。

表2 末級過熱器化學(xué)成分分析結(jié)果Tab. 2 Analysis of the chemical composition of final superheater %

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

分別從3個(gè)樣品上沿管長度方向切取拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖2所示，每個(gè)管上切取2根平行試樣。采用AG-Xplus 100 kN萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表 3，各樣品編號后的數(shù)字1代表迎煙氣側(cè)，數(shù)字2代表背煙氣側(cè)。將各樣品的強(qiáng)度及延伸率與GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中規(guī)定12Cr1MoV的力學(xué)性能進(jìn)行比較：編號24-6和26-6的樣品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及延伸率均完全符合標(biāo)準(zhǔn)，但25-6號樣品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均明顯低于標(biāo)準(zhǔn)下限，尤其是迎煙氣側(cè)更為嚴(yán)重。

圖2 力學(xué)性能試樣尺寸示意圖Fig. 2 Sample size diagram

表3 試樣力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Test results of mechanical properties

2.4 金相觀察

采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡進(jìn)行氧化皮厚度測試。圖3為25-6號樣品氧化皮厚度測試面宏觀照片，分別在管周圍所示8個(gè)位置觀察氧化皮厚度。圖4(a)、(b)依次為25-6號樣品泄漏位置附近g、h兩處(對照圖3)測厚位置的顯微形貌，其中灰色區(qū)域?yàn)檠趸^(qū)域，亮白色區(qū)域?yàn)槟覆膮^(qū)域。對測量結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)壁的氧化程度比外壁嚴(yán)重，且爆口處附近(位置g)的氧化皮厚度最大，達(dá)到0.7255 mm。

在3段管橫截面上分別取樣，并依次在200倍和1000倍下進(jìn)行金相顯微組織觀察，觀察位置分別為管內(nèi)壁、管壁厚中部和管外壁。觀察后發(fā)現(xiàn)編號24-6和26-6的試樣顯微組織均為鐵素體+珠光體，珠光體球化3.5級和3級。

對25-6號試樣泄漏處附近進(jìn)行觀察，如圖5所示。圖5中(a)、(b)、(c)是200倍下的顯微組織形貌，圖5中(d)、(e)、(f)是1000倍下的顯微組織形貌，可見泄漏處附近的金相組織為鐵素體+碳化物，組織中珠光體已經(jīng)完全球化，球化5級。在晶界處存在大量蠕變孔洞以及由蠕變孔洞連通形成的蠕變微裂紋，裂紋均沿晶分布。

圖3 25-6號樣品氧化皮厚度觀察位置示意圖Fig. 3 Observation position of oxide skin of sample No.25-6

圖4 25-6試樣的不同氧化皮測試位置處顯微組織Fig. 4 Microstructure of sample No. 25-6 at different positions of the oxide skin

3 討論

宏觀檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)編號24-6和26-6的樣品管徑未見明顯脹粗，管外徑有比較厚的氧化皮。而25-6號樣品管徑有比較明顯的脹粗，爆口處脹粗量最大達(dá) 5.9%，其他位置脹粗量 3.5%，在迎煙氣側(cè)存在沿管徑方向的爆口，爆口邊緣是不平整的鈍邊，爆口處壁厚無減薄，爆口及其附近的管子外壁存在較厚的氧化皮。從宏觀形貌來看，25-6號樣品具有明顯的長時(shí)過熱的特征。

化學(xué)成分分析結(jié)果表明樣品 24-6號、25-6號和26-6號的化學(xué)成分基本滿足標(biāo)準(zhǔn)GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoV的要求。其中25-6號樣品中的元素S、P含量略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，但不是此次過熱器泄漏的主要原因。

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，編號 24-6和 26-6的樣品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及延伸率均完全符合標(biāo)準(zhǔn)GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對12Cr1MoV材料的要求，但25-6號樣品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均明顯低于標(biāo)準(zhǔn)下限，尤其是迎煙氣側(cè)較嚴(yán)重。這說明此次過熱器的泄漏與強(qiáng)度不足有直接關(guān)系。

對 24-6、25-6和 26-6號樣品進(jìn)行金相組織試驗(yàn)，并重點(diǎn)對爆口區(qū)附近的金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果表明，樣品24-6和26-6的金相組織均為鐵素體+珠光體，但珠光體已部分球化，球化分別為3.5級和3級；而25-6號樣品的金相組織為鐵素體+碳化物，珠光體已完全球化，球化 5級，并存在大量的沿晶分布的蠕變孔洞和由此產(chǎn)生的裂紋，金相組織明顯異常。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果分析，該廠末級過熱器的泄漏是長時(shí)過熱所致。長時(shí)過熱是指管子長時(shí)超溫而發(fā)生蠕變破裂的現(xiàn)象[6-7]。造成超溫的原因有很多，如燃燒不穩(wěn)、局部積灰、結(jié)焦、內(nèi)壁氧化皮脫落堵塞、啟停及事故處理不當(dāng)?shù)萚8-11]。受熱面管在高溫下運(yùn)行時(shí)所受的應(yīng)力主要是管中介質(zhì)內(nèi)壓力對其產(chǎn)生的切向應(yīng)力，在這種應(yīng)力作用下，管子會以相當(dāng)于 10-7mm/h的蠕變速度進(jìn)行正常的徑向蠕變[12-13]。但當(dāng)管子由于超溫而長期過熱時(shí)，即便所受的應(yīng)力不變，也會加速蠕變而發(fā)生脹粗現(xiàn)象[14-15]。隨著脹粗量的不斷增大，蠕變孔洞連通形成蠕變裂紋并沿晶分布，裂紋繼續(xù)聚集、擴(kuò)大形成宏觀軸向裂紋，最終發(fā)生漏泄。此外，高溫引起珠光體的球化和碳化物的聚集，會使得鋼的抗蠕變能力和持久強(qiáng)度下降，高溫性能下降，也會進(jìn)一步加速蠕變失效的過程。

圖5 泄漏位置附近金相組織形貌Fig. 5 Metallographic structure near the leakage position

4 結(jié)論

此次末級過熱器的泄漏是長時(shí)過熱所致，是一個(gè)由于管子長期超溫而發(fā)生蠕變破裂最終導(dǎo)致失效的過程。建議查明末級過熱器超溫原因，并采取有效措施避免類似事故再次發(fā)生。