某余熱發(fā)電鍋爐低溫過(guò)熱器連接彎頭開裂原因

馬芹征

(蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004)

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)能源消耗逐步上升，在化工、建材等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了大量的廢熱資源，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。余熱發(fā)電技術(shù)是一種將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的余熱回收利用，并轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。余熱發(fā)電不僅能節(jié)約能源，還有利于環(huán)境保護(hù)，是國(guó)家實(shí)行節(jié)能減排的重要技術(shù)措施[1-2]。余熱發(fā)電鍋爐是余熱發(fā)電系統(tǒng)中重要的組成部分，余熱發(fā)電鍋爐及其附屬設(shè)備的正常運(yùn)行對(duì)整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)工作起到至關(guān)重要的作用。

某建材公司水泥窯生產(chǎn)線余熱發(fā)電鍋爐配套了一臺(tái)9 MW的低參數(shù)混壓純凝氣式汽輪發(fā)電機(jī)組，鍋爐安裝并煮爐完成后投入試運(yùn)行，僅運(yùn)行三個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)余熱發(fā)電鍋爐低溫過(guò)熱器出口集箱連接彎頭及附近多個(gè)部件出現(xiàn)開裂。依據(jù)GB/T 3087-2008《低中壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)，集箱及周邊管件采用的材料均為20號(hào)鋼。為查找連接彎頭及附近部件的開裂原因，避免該類問(wèn)題的再次發(fā)生，筆者對(duì)一處裂紋較多的連接彎頭進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

如圖1所示：連接彎頭母材外表面和內(nèi)表面均有多條較長(zhǎng)的裂紋，裂紋主要位于焊縫附近及彎頭母材處分布較為曲折，但大致平行于焊縫且呈環(huán)狀分布；彎頭外表面焊縫處有大塊補(bǔ)焊痕跡，補(bǔ)焊處也有較長(zhǎng)的裂紋；可見裂紋萌生于彎頭側(cè)母材內(nèi)表面，并由彎頭內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展。

圖1 開裂連接彎頭不同位置的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在開裂連接彎頭裂紋附近彎頭側(cè)母材處截取試樣，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析。如表1所示，彎頭母材的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3087-2008對(duì)20號(hào)鋼的技術(shù)要求。

表1 開裂連接彎頭裂紋附近彎頭側(cè)母材的化學(xué)成分

1.3 硬度測(cè)試

GB/T 3087-2008標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)20號(hào)鋼的拉伸性能做出規(guī)定，但開裂連接彎頭壁厚較薄，不易截取拉伸試樣。因此，對(duì)開裂連接彎頭的焊縫、彎頭側(cè)母材和集箱側(cè)母材進(jìn)行硬度測(cè)試，依據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，將硬度換算成抗拉強(qiáng)度。如表2所示，連接彎頭的焊縫、彎頭側(cè)母材、集箱側(cè)母材的硬度相差較小，換算成的焊縫和彎頭側(cè)母材的抗拉強(qiáng)度分別為520 MPa和491 MPa，該結(jié)果符合GB/T 3087-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20號(hào)鋼抗拉強(qiáng)度的技術(shù)要求(410～550 MPa)。

表2 開裂連接彎頭焊縫、彎頭側(cè)母材和集箱側(cè)母材硬度

1.4 金相檢驗(yàn)

在開裂連接彎頭的焊接接頭處截取試樣，對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行顯微組織觀察。如圖2所示：開裂連接彎頭焊縫兩側(cè)母材的組織均為鐵素體+珠光體，彎頭側(cè)母材的珠光體組織較為細(xì)小，鐵素體發(fā)生了輕微的拉長(zhǎng)變形；集箱側(cè)母材的鐵素體呈等軸狀；彎頭側(cè)熔合區(qū)及焊縫未見明顯氣孔、夾渣、熱裂紋等焊接缺陷；彎頭側(cè)熱影響區(qū)晶粒較粗大，可見少量魏氏組織。

圖2 開裂連接彎頭不同位置的顯微組織

如圖3所示：焊接接頭母材內(nèi)表面裂紋擴(kuò)展路徑較曲折，主裂紋邊緣有較多二次裂紋，裂紋均沿晶界擴(kuò)展；焊縫處裂紋呈曲折狀，主裂紋邊緣有較多沿晶界擴(kuò)展的二次裂紋。

圖3 開裂連接彎頭不同位置的裂紋微觀形貌

1.5 能譜分析

將開裂連接彎頭沿裂紋斷開后，對(duì)其斷口進(jìn)行能譜分析。如圖4所示，斷口表面主要成分為鐵的氧化物，且含一定量的鈉和磷元素。

圖4 開裂連接彎頭沿裂紋斷開后斷口表面的能譜分析結(jié)果

2 分析與討論

彎頭側(cè)母材的化學(xué)成分符合GB/T 3087-2008標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)20號(hào)鋼的技術(shù)要求，焊縫與其兩側(cè)母材的硬度都較為均勻，通過(guò)硬度換算成的抗拉強(qiáng)度符合GB/T 3087-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20號(hào)鋼的技術(shù)要求，開裂連接彎頭的顯微組織也未見明顯異常。綜上所述，連接彎頭開裂與其材料無(wú)關(guān)，大部分裂紋均位于補(bǔ)焊處彎頭側(cè)母材，無(wú)補(bǔ)焊處彎頭側(cè)母材也有較長(zhǎng)的裂紋，因此可排除彎頭開裂與其外表面補(bǔ)焊有關(guān)。

通過(guò)金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，起裂位置在彎頭側(cè)母材內(nèi)表面，并向外表面擴(kuò)展，焊縫內(nèi)表面及彎頭側(cè)母材區(qū)域的主裂紋邊緣均有較多的二次裂紋，裂紋均沿晶界擴(kuò)展，這與碳鋼和低合金鋼“堿脆”裂紋的典型特征相一致[3-5]。通過(guò)能譜分析可知，將連接彎頭沿裂紋斷開后，發(fā)現(xiàn)其斷口表面存在一定含量的鈉和磷元素，在鍋爐試運(yùn)行前，需使用氫氧化鈉和磷酸三鈉進(jìn)行煮爐，由此得知，鈉和磷元素可能來(lái)源于煮爐過(guò)程中加入的堿液。

常溫環(huán)境中，碳鋼與堿液(NaOH)反應(yīng)生成的腐蝕產(chǎn)物[Fe(OH)3]在堿液中的溶解度很低[6]，能牢固覆蓋在碳鋼表面，從而避免碳鋼被進(jìn)一步腐蝕。在較高溫度和一定應(yīng)力的共同作用下，碳鋼或低合金鋼在堿液中會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，這種應(yīng)力腐蝕開裂稱為堿脆開裂，即苛性脆化。堿脆是一種特殊的電化學(xué)腐蝕，其反應(yīng)方程式如式(1)所示[7-8]。

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

(1)

該腐蝕過(guò)程一般發(fā)生在金屬表面應(yīng)力集中處或發(fā)生電化學(xué)腐蝕的溝槽處，溶液沿氧化膜裂縫處進(jìn)入內(nèi)部與金屬基體發(fā)生反應(yīng)，在氧化膜破損處重新形成Fe3O4氧化膜，氧化膜在應(yīng)力作用下發(fā)生破損，如此往復(fù)，該過(guò)程使應(yīng)力腐蝕裂紋不斷擴(kuò)展。同時(shí)，裂紋兩側(cè)金屬晶粒內(nèi)部和晶界存在一定的電位差，晶界電位比晶粒內(nèi)部電位低得多，從而使晶界作為陽(yáng)極進(jìn)一步被氧化，這也促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。

碳鋼和低合金鋼發(fā)生堿脆開裂，必須滿足的3個(gè)基本條件，即較高濃度的NaOH溶液、一定的拉伸應(yīng)力和較高的溫度[9-10]。一般認(rèn)為，堿脆開裂在溶液沸點(diǎn)附近時(shí)最容易發(fā)生，溫度低于46 ℃時(shí)一般不發(fā)生[11-14]。溶液中的NaOH濃度很低時(shí)，在高溫環(huán)境中，NaOH可能會(huì)在縫隙或粗糙的金屬表面聚集、濃縮，增大了材料的堿脆開裂敏感性。

該連接彎頭發(fā)生應(yīng)力堿脆開裂是在鍋爐煮爐過(guò)程中堿液進(jìn)入過(guò)熱器導(dǎo)致的。在煮爐過(guò)程中，堿液進(jìn)入過(guò)熱器，在較高煮爐溫度以及管道自重、汽水振動(dòng)、熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等多種應(yīng)力的共同作用下，連接彎頭焊縫處發(fā)生堿脆開裂。

3 結(jié)論及建議

(1) 余熱發(fā)電鍋爐低溫過(guò)熱器出口集箱連接彎頭的開裂原因是鍋爐安裝后的煮爐過(guò)程中，堿液進(jìn)入了過(guò)熱器內(nèi)部，在連接彎頭內(nèi)表面縫隙處聚集、濃縮，在較高的溫度以及管道自重、汽水振動(dòng)、熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等多種應(yīng)力的共同作用下，連接彎頭焊縫處發(fā)生堿脆開裂。

(2) 根據(jù)堿液進(jìn)入過(guò)熱器后的流動(dòng)方向，在該開裂連接彎頭附近管段進(jìn)行超聲波、射線檢測(cè)，檢查存在裂紋的區(qū)域，并對(duì)存在裂紋的管段進(jìn)行更換，避免裂紋在后續(xù)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生擴(kuò)展，引起管子開裂。此外，根據(jù)裂紋存在區(qū)域的大小，對(duì)開裂連接彎頭附近管段內(nèi)壁進(jìn)行沖洗，以降低管段內(nèi)壁的堿含量。