余熱鍋爐過熱器管焊縫開裂原因探究

蘇德林

摘 ?要：在我國社會(huì)生產(chǎn)力不斷提高的背景下，電站工作壓力不斷增加，多種發(fā)電設(shè)備長期處于高溫、高壓運(yùn)行狀態(tài)下，會(huì)出現(xiàn)一定的質(zhì)量問題。余熱鍋爐作為電站的主要發(fā)電設(shè)備，在日常使用過程中，經(jīng)常會(huì)遇到過熱管焊縫開裂問題，且導(dǎo)致該問題出現(xiàn)的因素較多，如果不進(jìn)行科學(xué)的處理，會(huì)導(dǎo)致其工作效率降低，甚至引起嚴(yán)重的事故。因此，本文結(jié)合H電站的具體情況，對(duì)余熱鍋爐過熱器管焊縫開裂原因進(jìn)行深入地研究與分析，并提出一些合理的意見和措施，旨在進(jìn)一步促進(jìn)電站余熱鍋爐運(yùn)行質(zhì)量提高。

關(guān)鍵詞：余熱鍋爐;過熱管;開裂問題;形成原因;優(yōu)化措施

在電站采用的余熱鍋爐結(jié)構(gòu)中，過熱器管段內(nèi)壁會(huì)受到高溫、高壓水蒸氣的氧化腐蝕作用，且過熱管外壁會(huì)受到高溫?zé)煔獾挠绊?，整體運(yùn)行條件較為惡劣。因此，會(huì)導(dǎo)致過熱管的焊縫出現(xiàn)開裂問題，從而導(dǎo)致過熱管失效，無法正常運(yùn)行。過熱管焊縫開裂問題是電站設(shè)備常見的問題之一，會(huì)導(dǎo)致電站鍋爐停止運(yùn)行，從而影響整體生產(chǎn)效率，所以必須對(duì)過熱管焊縫開裂問題形成原因進(jìn)行分析，并根據(jù)形成原因進(jìn)行治理，降低該問題發(fā)生率，從而保障電站安全運(yùn)行。

1 H電站余熱鍋爐基本參數(shù)

鍋爐技術(shù)參數(shù)：

余熱鍋爐入口煙氣量（設(shè)計(jì)）：93000Nm3/h

余熱鍋爐入口煙溫度（設(shè)計(jì)）：920℃

工程裝機(jī)（設(shè)計(jì)）：36MW

額定蒸發(fā)量（設(shè)計(jì)）：100t/h（低位發(fā)熱值5800kJ/kg）

額定蒸汽溫度：450℃

額定蒸汽壓力（表壓）：4MPa

鍋筒工作壓力（表壓）：4.5MPa

鍋爐效率：≥80.5%

一次風(fēng)溫度（設(shè)計(jì)）：250℃

二次風(fēng)溫度（設(shè)計(jì)）：150℃

給水溫度：120℃

中溫過熱管材質(zhì)：12Cr1MoVG

該余熱鍋爐在H電站正常使用過程期間，過熱管焊縫出現(xiàn)嚴(yán)重開裂問題，引起H電站高度重視，隨之該鍋爐停止運(yùn)行，并將過熱管的開裂段拆除，對(duì)焊開裂問題進(jìn)行分析。

2 理化檢驗(yàn)分析

2.1整體分析

因?yàn)镠電站該余熱鍋爐中過熱管數(shù)量較多，且裂紋表面形狀一致，大部分為沿焊縫附件母材出現(xiàn)環(huán)向開裂，可以初步判定引起過熱管焊縫開裂問題的成因一致。因此，H電站工作人員選擇其中兩段最為明顯的裂縫管段作為理化性能實(shí)踐檢測對(duì)象，將兩段管材分別編號(hào)為A1和A2。根據(jù)技術(shù)人員的觀測，A1和A2管材內(nèi)壁存在裂紋，裂紋主要集中在焊縫熔合位置，部分裂紋位于熔合部分兩側(cè)，內(nèi)部裂紋程度大于外壁[1]。因此，技術(shù)人員初步判定該過熱管焊縫開裂問題受到熔合區(qū)域的熱量影響，由內(nèi)壁開裂逐漸向外壁延伸。

2.2化學(xué)成分檢驗(yàn)分析

下表為本次檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中選取的兩段開裂管材化學(xué)成分分析具體情況。

根據(jù)上表數(shù)據(jù)可以看出，所選取的兩段焊縫材料均符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因此過熱管焊縫開裂問題與材料無關(guān)。

2.3硬度檢驗(yàn)

下表為本次實(shí)驗(yàn)中所選取兩段開裂管段材料的硬度檢驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出所選取兩段開裂管段材料的硬度都符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及12Cr1MoVG材料硬度規(guī)定，且根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算結(jié)果，接頭焊縫的硬度值都高于厚壁側(cè)母材硬度值，超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍之內(nèi)，焊縫與母材硬度相差較大的情況下，焊接接頭內(nèi)部會(huì)存有較高的殘余應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致焊縫缺陷位置引起應(yīng)力集中的問題，從而導(dǎo)致過熱管焊縫開裂問題出現(xiàn)[2]。

2.4金相檢驗(yàn)分析

通過上述實(shí)驗(yàn)可以得到結(jié)論，所選取的兩段開裂管段化學(xué)成分和硬度都沒有明顯區(qū)別，且裂紋形狀基本相似，選擇A2實(shí)驗(yàn)管段進(jìn)行金相檢驗(yàn)分析。根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果來看，A2管段內(nèi)側(cè)母材的顯微組織為鐵素體和珠光體，外側(cè)顯微素質(zhì)為鐵素體和貝氏體，焊縫顯微組織為部分鐵素體和貝氏體，焊縫熔合區(qū)域存在著較多裂紋，裂紋具有二次分叉現(xiàn)象，裂紋擴(kuò)展方式為沿晶為主，符合碳鋼和低合金鋼堿腐蝕基本特征。

2.5能譜分析

通過對(duì)A2實(shí)驗(yàn)開裂管材樣本中腐蝕物的能譜分析及結(jié)果來看，腐蝕物中含有少量鈉元素，說明余熱鍋爐加熱工藝控制不夠合理，導(dǎo)致部分堿液進(jìn)入過熱管中。

3討論分析

碳鋼和低合金鋼具有堿脆性，也就是說碳鋼和低合金鋼在高濃度堿液中會(huì)發(fā)生腐蝕開裂問題，在較高的氫氧化鈉溶液中，受到拉伸力和溫度應(yīng)力的影響，會(huì)導(dǎo)致碳鋼和低合金鋼出現(xiàn)開裂，由此可以判定過熱管焊縫開裂的三個(gè)基本條件，即高濃度氫氧化鈉溶液、拉伸應(yīng)力以及溫度應(yīng)力。根據(jù)相關(guān)研究資料表明，碳鋼在金屬溫度低于45℃的情況下不會(huì)出現(xiàn)堿脆開裂問題，但是如果堿脆的溫度范圍較大，容易導(dǎo)致堿脆溫度在溶液的沸點(diǎn)附近。如果氫氧化鈉溶液濃度較低，出現(xiàn)裂紋的概率也就較小，但是如果氫氧化鈉溶液濃度過高，超過10%時(shí)，就容易引起裂紋出現(xiàn)[3]。

根據(jù)余熱鍋爐過熱管焊縫開裂的位置上分布情況來看，裂紋主要集中在過熱管的出口位置，在帶彎頭區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象。根據(jù)對(duì)該余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)過熱管受熱變形時(shí)，直管部分在軸向膨脹會(huì)受到限制，焊縫區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較高的拘束應(yīng)力，但是帶彎頭區(qū)域因?yàn)橛袕濐^能夠吸收一定的膨脹量，所受到的拘束應(yīng)力較小，所以不容易產(chǎn)生裂紋。此外，因?yàn)檫^熱管焊縫自身質(zhì)量較差，焊縫內(nèi)壁熔合區(qū)域具有一定的咬邊缺陷，且焊縫硬度過高，會(huì)導(dǎo)致熔合區(qū)域受到溫度影響較大。

綜合以上分析結(jié)果來看，本次H電站余熱鍋爐過熱管焊縫開裂的主要成因?yàn)椋河酂徨仩t內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，導(dǎo)致接頭部分出現(xiàn)過高約束應(yīng)力，同時(shí)因?yàn)檫^熱管焊縫接頭處具有焊接殘余應(yīng)力，以及加熱過程工藝控制不夠合理，導(dǎo)致部分堿液進(jìn)入過熱管中，在過熱管內(nèi)部位置聚集，在溫度應(yīng)力和堿液應(yīng)力的多重作用下，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋。因?yàn)楹缚p質(zhì)量存在問題，導(dǎo)致裂紋向外不斷擴(kuò)散，最終形成嚴(yán)重的開裂問題。針對(duì)開裂問題，H電站需要對(duì)余熱鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并嚴(yán)格控制該鍋爐的具體使用工藝，防止堿液進(jìn)入過熱管中，同時(shí)加強(qiáng)焊接處理質(zhì)量，保證焊接縫不存在質(zhì)量問題，從而能夠有效避免裂紋問題產(chǎn)生，促進(jìn)H電站生產(chǎn)效率提高。

結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合H電站出現(xiàn)開裂問題的余熱鍋爐，采用實(shí)驗(yàn)方式對(duì)其具體開裂原因進(jìn)行分析，通過多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定該余熱鍋爐過熱管焊縫出現(xiàn)開裂問題的主要原因，并提出相應(yīng)改善措施，希望能夠?qū)ξ覈娬居酂徨仩t運(yùn)行維護(hù)工作有所幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉獻(xiàn)良， 賴云亭， 陳忠兵，等. 余熱鍋爐過熱器管焊縫開裂原因分析[J]. 金屬熱處理， 2019， 44（S1）：278-281.

[2] 鄭天艷. 余熱鍋爐角焊縫裂紋原因分析及防范[J]. 電力安全技術(shù)， 2020， 288（03）：64-68.

[3] 何曉東， 曹海濤， 劉雪峰. 某電廠300 MW鍋爐高溫過熱器管開裂原因分析[J]. 期刊論文， 2019， 55（7）：0032-0032.

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