電站鍋爐過熱器管爆管原因分析

劉天佐 賴云亭

摘 要：針對某電站鍋爐過熱器管在運行時出現(xiàn)泄漏爆管的問題，采用宏觀檢驗、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗及斷口微觀分析等手段進行了全面分析與討論。結(jié)果表明：傾斜段焊縫位置的爆口為首爆口，其性質(zhì)為疲勞開裂，之后蒸汽溢出造成下游垂直段內(nèi)部蒸汽流量減少，管段溫度升高，進而導致下游垂直管段短時過熱爆管。

關(guān)鍵詞：爆管;過熱器管;疲勞開裂;焊接接頭

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0174-02

鍋爐受熱面管的泄漏是造成火電機組非正常停機的最普遍、最常見形式，一般占機組非正常停機事故的50%以上，是長期困擾電力生產(chǎn)的技術(shù)難題。近年來，隨著機組參數(shù)的提高，受熱面管的泄漏問題日趨嚴峻，嚴重影響了機組的安全性和經(jīng)濟性[1]，因此，備受電廠重視。

某電廠鍋爐是由美國Foster Wheeler能源公司（FWEC）設(shè)計制造的600MW亞臨界燃煤汽包爐。鍋爐爐膛上部布置了5片分隔屏式過熱器，材質(zhì)為SA-213T22、TP304H的管子。2018年5月，該機組分隔屏過熱器管運行期間發(fā)生爆管，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，分隔屏過熱器左數(shù)第一屏夾持管4出現(xiàn)兩處爆口，分別位于水平段的焊縫位置和蒸汽下游的豎直段位置。兩爆口位置材質(zhì)均為ASME SA-213TP304H。為防止事故重發(fā)，電廠隨即將本次爆管取下，進行爆管原因分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

圖1為本次爆口管爆口宏觀形貌。爆口共有兩處，一處位于焊縫熔合線位置（記為爆口H），爆口周邊管段無明顯減薄或脹粗，最后瞬斷區(qū)有明顯宏觀塑性變形;爆口部位區(qū)域較為平齊，有明顯的貝紋線，呈現(xiàn)出疲勞斷口的特征[2]。另一處爆口位于蒸汽下游遠離焊縫的直管位置（記為爆口Z），爆口呈喇叭狀，爆口附近內(nèi)外壁表面光滑，附近管段有明顯脹粗，呈現(xiàn)為短時過熱爆口特征[3-4]。

1.2 化學成分

在爆口H附近上游側(cè)和下游側(cè)（與爆口Z相連的管段）分別取樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1。本次爆口管化學成分符合ASME SA-213對TP304H鋼種化學成分要求。

1.3 力學性能

在本次失效管兩爆口附近取樣進行布氏硬度及拉伸性能測試，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，兩爆口附近管段硬度及室溫拉伸性能均符合ASME SA-213對TP304H鋼種性能要求。

1.4 金相檢驗

圖2為本次爆口管兩爆口附近取樣金相檢驗照片。爆口H附近兩側(cè)母材金相組織均為奧氏體+孿晶，組織老化不明顯。爆口Z附近晶粒有拉長變形，晶界有大量蠕變孔洞及微裂紋，并有較多的碳化物在晶界析出;爆口Z背側(cè)金相組織中有較多的碳化物粒子析出，組織輕度老化。

1.5 斷口分析

圖3為本次爆口H在TESCAN VEGA 5136掃描電子顯微鏡下的微觀形貌。斷口宏觀上有明顯的貝紋線;斷裂源區(qū)均位于外壁側(cè)，有較多的啟裂臺階;斷口表面大部分區(qū)域已被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，終斷區(qū)高倍下微觀形貌消失，但擴展區(qū)仍可見有清晰的疲勞條帶存在，為疲勞斷裂的典型特征[5-6]?？梢?，該斷口均為外壁啟裂，向內(nèi)壁擴展的多源疲勞斷口。

2 分析討論

綜合上述各項檢驗結(jié)果，爆口管母材化學成分、力學性能、金相組織等均未發(fā)現(xiàn)明顯的異常，表明本次爆管的發(fā)生與材質(zhì)及焊接關(guān)系不大。

焊縫位置爆口H為機械應(yīng)力和熱應(yīng)力導致的疲勞開裂，并最終引起爆管。本次爆管的兩爆口開裂順序可以依據(jù)蒸汽流向得出：焊縫位置首先出現(xiàn)爆管，導致下游蒸汽流量減少，引起下游管壁短時超溫過熱，從而導致下游直管段爆管。

焊縫位置所在爆口為明顯的疲勞開裂，可知該管段在運行過程中存在結(jié)構(gòu)上的拘束應(yīng)力。而由于焊縫熔合區(qū)作為焊縫與母材的連接位置，不可避免的會存在錯邊、焊縫與母材高度不同、顯微組織的差異等結(jié)構(gòu)和性能上的不連續(xù)性，因此，熔合區(qū)位置應(yīng)力集中系數(shù)較高，疲勞裂紋易在此萌生并擴展。本機組近年啟停頻繁，管段溫度波動較大，結(jié)構(gòu)上的拘束限制了管段的自由膨脹，且焊縫熔合區(qū)是焊接接頭最易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置。因此，焊縫熔合區(qū)作為疲勞破壞的薄弱位置，最終導致了管段在此開裂并爆管。

3 結(jié)論及建議

本次爆管兩爆口的先后順序為：傾斜段的焊縫位置先出現(xiàn)爆口，之后蒸汽從爆口溢出，造成下游垂直段內(nèi)蒸汽流量減少，管段溫度升高，并導致垂直段短時過熱爆管。

建議對與爆口相同或相近位置的焊縫進行排查，看是否存在早期裂紋，對發(fā)現(xiàn)的裂紋進行及早修復;優(yōu)化管排結(jié)構(gòu)，減少對管段結(jié)構(gòu)上的約束，從而減少接頭的疲勞開裂傾向;通過減少機組啟停次數(shù)、降低鍋爐負荷波動等措施，以降低機組運行中管段內(nèi)部交變應(yīng)力。通過上述措施，可在一定程度上減少上述同類型爆管事件的發(fā)生，提高機組的安全性。

參考文獻

[1] 蔡文河，嚴蘇星.電站重要金屬部件的失效及其監(jiān)督[M].北京：中國電力出版社，2009：105.

[2] 張棟，鐘道培，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[3] 李彥林.鍋爐熱管失效分析及預防[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4] 王金星，劉天模，馮大碧，等.熱電廠鍋爐高溫過熱器管爆管原因[J].機械工程材料，2009，33（4）：67-69.

[5] 劉獻良，張路，賴云亭，等.電站連接螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗（物理分冊），2018，54（10）：778-781.

[6] 周平南.高壓燃油管開裂分析[J].理化檢驗（物理分冊），2005，41（9）：475-477.