火電廠鍋爐中溫再熱器爆管原因分析

王東

摘要：某電廠300 MW亞臨界機(jī)組中溫再熱器發(fā)生爆管，對(duì)其進(jìn)行宏觀檢查、材質(zhì)分析、金相分析、能譜分析和力學(xué)分析后，判斷該爆管事故是由于彎頭+存在過熱情況，使組織老化級(jí)別達(dá)到5級(jí)，力學(xué)性能低于標(biāo)準(zhǔn)要求，抗蠕變損傷的能力變差，進(jìn)而在蒸汽內(nèi)壓作用下形成蠕變裂紋并最終導(dǎo)致泄漏。

關(guān)鍵詞：中溫再熱器；爆管；過熱；蠕變裂紋

中圖分類號(hào)：TM621.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）35-0027-04

Cause Analysis of Tube Burst of Medium Temperature Reheater of Boiler in Thermal Power Plant

WANG Dong（China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Central South China Branch， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Explosion tube of medium temperature reheater in 300 MW subcritical unit of a power plant，through mac？ roscopic inspection， material analysis， metallographic analysis， energy spectrum analysis， and mechanical analysis， it is judged that the explosion tube accident is an overheating situation that should exist at the bend， so that the tissue aging level reaches 5 levels， mechanical properties are lower than standard， and the ability to resist creep damage is poor， and creep cracks are formed under the action of steam internal pressure and eventually lead to leakage.

Keywords： medium temperature reheater；explosion；overheating；creep cracks

某火力發(fā)電廠3號(hào)鍋爐為東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司制造的DGl025/18.2-Ⅱ6型亞臨界全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)燃煤鍋爐。2021年5月22日7點(diǎn)20分，3號(hào)機(jī)組負(fù)荷達(dá)到302 MW，運(yùn)行人員觀察到鍋爐泄漏光子牌報(bào)警。就地檢查3號(hào)爐電梯九層乙側(cè)墻，發(fā)現(xiàn)爐膛人孔門附近有泄漏聲音。5月24日21點(diǎn)30分，機(jī)組冷卻后進(jìn)入爐內(nèi)檢查、發(fā)現(xiàn)中溫再熱器右數(shù)第5屏外數(shù)第2根管發(fā)生泄漏，右數(shù)第5屏外數(shù)第1、3根管被嚴(yán)重吹損。該鍋爐于2006年10月投產(chǎn)，至此次泄漏機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行約16.7萬h。

1宏觀檢查與分析

中溫再熱器泄漏點(diǎn)的具體位置如圖1所示。選取右數(shù)第5屏外數(shù)第2根管（首爆管）、外數(shù)第3根管和吹損第4屏外數(shù)第2根管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，其材質(zhì)為12Cr1 MoV，規(guī)格為Φ60 mm×4 mm。

如圖2所示，宏觀檢查右數(shù)第5屏外數(shù)第2根管，發(fā)現(xiàn)首爆口位于彎頭的迎煙側(cè)背弧處，裂紋開口較小，長(zhǎng)約35 mm，寬約2 mm，附近存在多條平行的軸向小裂紋；管子外壁氧化皮較厚，且有輕微脹粗情況，外徑最大測(cè)量值為61.90 mm，蠕變應(yīng)變?yōu)?.17%，已超過《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》（DL/T 438—2016）對(duì)低合金鋼受熱面管蠕變量的規(guī)定上限（2.5%）；在體式顯微鏡下觀察裂紋截面形貌，發(fā)現(xiàn)主裂紋起源于外壁并向內(nèi)壁擴(kuò)展，內(nèi)部充滿氧化產(chǎn)物，主裂紋附近的管子內(nèi)、外壁上均分布有軸向小裂紋。

2試驗(yàn)分析

對(duì)右數(shù)第5屏外數(shù)第2根管（首爆管，試樣編號(hào)1）、外數(shù)第3根管（試樣編號(hào)2）和第4屏外數(shù)第2根管（試樣編號(hào)3）迎煙側(cè)分別取樣進(jìn)行材質(zhì)分析、金相分析及力學(xué)性能試驗(yàn)。

2.1材質(zhì)分析

光譜分析結(jié)果如表1所示，兩根中溫再熱器管的合金成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2金相分析

對(duì)1號(hào)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，裂紋及附近組織的微觀形貌如圖3所示。主裂紋萌生于外壁，漸漸向內(nèi)壁擴(kuò)展，主裂紋附近的管子內(nèi)、外壁均分布有小裂紋，裂紋均呈沿晶特征，為典型的蠕變裂紋；裂紋附近母材組織已明顯老化，珠光體區(qū)域形態(tài)已完全消失；組織為鐵素體加碳化物，粗大碳化物在晶界處呈球狀或鏈狀分布，依據(jù)《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T 773—2016）評(píng)定組織球化級(jí)別已達(dá)到5級(jí)（嚴(yán)重球化）；管子內(nèi)壁氧化皮厚度為592.97μm，已超過《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 939—2016）中規(guī)定需進(jìn)行評(píng)估或更換的上限（內(nèi)壁500μm）。

2號(hào)試樣金相組織如圖4所示。彎頭母材組織中僅剩少量的珠光體區(qū)域痕跡，碳化物明顯聚集長(zhǎng)大呈顆粒狀，部分碳化物在晶界上呈鏈狀分布，組織球化級(jí)別為4級(jí)（完全球化）；內(nèi)壁氧化皮的厚度為322.86μm。綜合分析，2號(hào)試樣組織均未見異常。

3號(hào)試樣金相組織如圖5所示。彎頭母材組織中僅剩少量的珠光體區(qū)域痕跡，碳化物明顯聚集長(zhǎng)大呈顆粒狀，部分碳化物在晶界上呈鏈狀分布，組織球化級(jí)別為4級(jí)（完全球化）；內(nèi)壁氧化皮的厚度為367.91μm。綜合分析，3號(hào)試樣組織均未見異常。

2.3掃描電鏡及能譜分析

對(duì)1號(hào)試樣裂紋附近進(jìn)行掃描電鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）檢驗(yàn)和能譜分析（Energy Dispersive Spectrometer，EDS），結(jié)果如圖6所示。較多球狀或條狀碳化物在晶界處聚集，裂紋附近的母材晶界上均存在大量的蠕變孔洞，進(jìn)一步驗(yàn)證了該裂紋為蠕變裂紋。在耐熱鋼中，V元素一般起到沉淀強(qiáng)化作用，Mo元素一般起到固溶強(qiáng)化的作用，二者溶于基體均可提高鋼的蠕變強(qiáng)度。晶界碳化物中含有較多的Mo和V元素，基體中合金元素僅剩Cr元素，說明基體中的V和Mo元素已向晶界碳化物轉(zhuǎn)移，弱化了兩種元素的強(qiáng)化作用，使鋼的熱強(qiáng)性下降[1-2]。

2.4力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)1、2號(hào)試樣各區(qū)域進(jìn)行室溫拉伸和布氏硬度檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。1號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度和布氏硬度值均已低于標(biāo)準(zhǔn)，2號(hào)試樣、3號(hào)試樣的檢驗(yàn)結(jié)果均未見異常。

3原因分析

上述檢驗(yàn)結(jié)果表明：主裂紋萌生于彎頭迎煙側(cè)外壁，漸漸向內(nèi)壁擴(kuò)展；主裂紋附近的管子內(nèi)、外壁均分布有沿晶特征的小裂紋，較多球狀或條狀碳化物在晶界處聚集；裂紋附近的母材晶界上存在大量的蠕變孔洞，判定裂紋的性質(zhì)為蠕變裂紋。

首爆管迎煙側(cè)的布氏硬度和抗拉強(qiáng)度均已低于標(biāo)準(zhǔn)，組織老化級(jí)別達(dá)到5級(jí)，基體內(nèi)V、Mo元素向晶界碳化物轉(zhuǎn)移，使鋼的抗蠕變損傷能力降低[3]。吹損管子的組織老化級(jí)別為4級(jí)，強(qiáng)度和硬度值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，首爆管應(yīng)存在過熱情況，導(dǎo)致彎頭組織老化、力學(xué)性能劣化，內(nèi)外管壁氧化皮快速形成和增厚，從而造成壁厚嚴(yán)重減薄。較厚的氧化皮導(dǎo)致管子的換熱能力降低[4]，加上管子惡化，最終在蒸汽內(nèi)壓作用下，晶界上先產(chǎn)生蠕變孔洞，隨著蠕變孔洞的聚合、長(zhǎng)大并連接為鏈狀，形成蠕變裂紋，最終發(fā)生開裂爆管[5-6]。

4結(jié)語

經(jīng)分析，3號(hào)爐中溫再熱器泄漏原因?yàn)椋簭濐^應(yīng)存在過熱情況，使組織老化級(jí)別達(dá)到5級(jí)，力學(xué)性能低于標(biāo)準(zhǔn)要求，抗蠕變損傷的能力變差，在蒸汽內(nèi)壓作用下形成蠕變裂紋并最終導(dǎo)致泄漏。建議一方面加強(qiáng)運(yùn)行管理，嚴(yán)格控制超溫超壓運(yùn)行，特別是要嚴(yán)格控制長(zhǎng)時(shí)間的超溫和高幅度的超溫、超壓運(yùn)行；另一方面對(duì)首爆管附近的管屏割管進(jìn)行擴(kuò)大檢查，硬度、強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)或組織老化達(dá)到5級(jí)的部分應(yīng)進(jìn)行更換。

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