某電廠鍋爐后屏過熱器管泄漏原因分析

康龍基 王 碩 季文波 劉光奎 郝維勛

（1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 哈爾濱 150046)

（2.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

電站鍋爐的“四管”泄漏，是導(dǎo)致電廠機(jī)組非正常停機(jī)的常見形式之一，一般能夠達(dá)到50%以上比例甚至更高，對機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性均會(huì)造成嚴(yán)重影響[1]。過熱器管內(nèi)的工質(zhì)為具有一定過熱度的合格蒸汽，在鍋爐調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，過熱器能夠控制蒸汽在允許的溫度范圍內(nèi)波動(dòng)[2]。S30432 是由日本住友公司研發(fā)的一種18-8 型奧氏體耐熱不銹鋼，該鋼種具有許用應(yīng)力高、經(jīng)濟(jì)性好、抗高溫蒸汽氧化能力強(qiáng)、高溫持久強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在鍋爐高溫受熱面上取得了大量應(yīng)用[3]。該鋼種起初全部依賴進(jìn)口，我國從2003 年開始，組織對S30432 進(jìn)行國產(chǎn)化研究，經(jīng)過多方努力，于2008 年成功取得了該鋼種的國產(chǎn)化應(yīng)用，我國標(biāo)準(zhǔn)中該鋼種的牌號為10Cr18Ni9NbCu3BN[4]。S30432 鋼種性能優(yōu)異，但電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)受到煙氣側(cè)、蒸汽側(cè)的多方面因素影響，個(gè)別位置由于吸熱或散熱不均導(dǎo)致的局部超溫爆管事故時(shí)有發(fā)生[5]。

某電廠660 MW 超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，全懸吊結(jié)構(gòu)的π 型鍋爐，已投產(chǎn)運(yùn)行多年，于2019 年5 月，后屏過熱器底部U 型彎附近鋼管的向火側(cè)發(fā)生泄漏，導(dǎo)致被迫停爐檢修。發(fā)生泄漏的鋼管材質(zhì)為SA-213 S30432，公稱規(guī)格為φ51 mm×10.5 mm。本文通過對樣管進(jìn)行宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)等，對導(dǎo)致鋼管泄漏的原因進(jìn)行綜合分析。

1 宏觀分析

發(fā)生泄漏的后屏過熱器鋼管宏觀形貌見圖1。從鋼管的宏觀形貌可以看出，發(fā)生泄漏的鋼管存在明顯的脹粗，沿鋼管的縱向方向存在多條裂紋，多數(shù)裂紋呈斷續(xù)的不連接狀態(tài)，最嚴(yán)重處的裂紋已貫穿整個(gè)壁厚。經(jīng)測量，發(fā)生泄漏位置的最大脹粗率達(dá)到了約18%，泄漏位置壁厚發(fā)生明顯減薄，最薄處的厚度僅有6.9 mm，壁厚減薄率達(dá)到了約34%。根據(jù)對發(fā)生泄漏鋼管的宏觀形貌觀察，鋼管的縱向裂紋是導(dǎo)致泄漏的直接原因。產(chǎn)生縱向裂紋和發(fā)生泄漏的位置均在鋼管的向火側(cè)。未發(fā)現(xiàn)其他明顯的宏觀缺陷。

圖1 發(fā)生泄漏的鋼管宏觀形貌

2 化學(xué)成分分析

在發(fā)生泄漏鋼管的無裂紋位置截取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析所用設(shè)備為德國斯派克公司生產(chǎn)的M8 型光電直讀式光譜儀。鋼管的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。鋼管的化學(xué)成分符合ASME SA-213M《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》的要求，且主要化學(xué)成分含量值均不是標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值或下限值。

表1 化學(xué)成分 %

3 力學(xué)性能檢驗(yàn)

在發(fā)生泄漏鋼管的無裂紋位置截取試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，所用電子拉伸試驗(yàn)機(jī)的型號為DW-100 型。為保證力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前對試樣采取打磨的方式去除毛刺，并配合酸洗除掉試樣表面的氧化和腐蝕產(chǎn)物，露出金屬光澤。試驗(yàn)結(jié)果見表2。鋼管的力學(xué)性能符合ASME SA-213M 的要求，斷后伸長率的試驗(yàn)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值。

表2 力學(xué)性能

4 金相檢驗(yàn)

分別在發(fā)生泄漏的裂紋附近和遠(yuǎn)離裂紋的無明顯宏觀缺陷位置截取試樣，進(jìn)行金相檢驗(yàn)。截取的試樣經(jīng)過粗磨、細(xì)磨和拋光后，采用鹽酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，顯微組織觀察所用光學(xué)顯微鏡型號為AXIOVERT 200 MAT。 不同位置的顯微組織如圖2 ～圖5 所示，金相檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 裂紋附近內(nèi)壁金相組織

圖3 裂紋附近外壁金相組織

圖4 遠(yuǎn)離裂紋處內(nèi)壁金相組織

圖5 遠(yuǎn)離裂紋處外壁金相組織

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

發(fā)生泄漏鋼管的宏觀形貌除裂紋處貫穿整個(gè)壁厚外，呈現(xiàn)出多條斷續(xù)、不連接的裂紋，泄漏位置的最大脹粗率達(dá)到了18%，壁厚減薄率達(dá)到了34%。該種類型的裂紋形貌為典型的蠕脹裂紋，形成該形貌裂紋一般是在較長時(shí)間的超溫運(yùn)行工況下，材料的高溫強(qiáng)度逐漸下降，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，在內(nèi)部工質(zhì)的持續(xù)高壓力作用下，使鋼管表面逐漸產(chǎn)生微裂紋并擴(kuò)展、連接，最終形成穿透性裂紋，發(fā)生泄漏事故。根據(jù)泄漏位置的宏觀形貌初步判斷，發(fā)生泄漏的可能原因是鋼管長時(shí)間在超溫工況下運(yùn)行。

鋼管的化學(xué)成分分析結(jié)果表明，化學(xué)成分符合ASME SA-213M 的要求?；瘜W(xué)成分對材料的性能起決定性作用，包括材料的力學(xué)性能、抗蒸汽氧化性能、耐蝕性能、組織穩(wěn)定性等等。ASME SA-213M 中對S30432 的各個(gè)化學(xué)成分含量均有明確的上下限要求，當(dāng)實(shí)測的化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)要求的上下限值之間但不接近上下限時(shí)，理論上材料的綜合性能表現(xiàn)最好。發(fā)生泄漏鋼管的主要化學(xué)成分含量值均不是標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值或下限值，化學(xué)成分檢測結(jié)果較理想。

鋼管的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果表明，力學(xué)性能符合ASME SA-213M 的要求，但斷后伸長率的試驗(yàn)結(jié)果并不理想，僅達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值。S30432 鋼管在長時(shí)高溫運(yùn)行后，會(huì)析出M23C6相，運(yùn)行時(shí)間越長，析出相越多、尺寸越大。隨著析出相的長大，材料的塑、韌性會(huì)隨之下降[6]，該過程是S30432 材料的固有特性，并不會(huì)對產(chǎn)品的安全運(yùn)行造成惡劣影響。

鋼管的金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)生泄漏位置的組織已發(fā)生嚴(yán)重老化，近外壁和近內(nèi)壁奧氏體晶界存在不同程度的消失現(xiàn)象，顆粒狀碳化物大量析出。該批次鋼管在采購入廠后復(fù)驗(yàn)時(shí)，即鋼管運(yùn)行前的近外壁金相組織如圖6 所示，金相組織較均勻，晶粒度等級8 級。與運(yùn)行后鋼管的金相組織相比，運(yùn)行后鋼管近外壁的奧氏體晶粒出現(xiàn)了明顯的長大現(xiàn)象，晶粒度達(dá)到了6 級。

圖6 運(yùn)行前鋼管近外壁金相組織

正常服役情況下，由于后屏過熱器管外壁直接接觸煙氣，實(shí)際溫度會(huì)高于內(nèi)壁，且由于鋼管單側(cè)受煙氣沖刷，向火面和背火面的受熱程度差別較大，導(dǎo)致鋼管不同位置的實(shí)際運(yùn)行溫度會(huì)出現(xiàn)較大差異，近外壁的奧氏體晶粒存在異常長大的可能。當(dāng)管子出現(xiàn)超溫時(shí)，管壁的溫度會(huì)出現(xiàn)明顯的升高，材料內(nèi)部原子在更高的溫度下活動(dòng)明顯加劇，晶界和亞晶界會(huì)在高溫下部分消失或完全消失。而晶界和亞晶界原儲(chǔ)能成為晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力，從而造成了晶粒在高溫下的異常長大。此外，部分位置的碳化物大量析出，取代了原晶界位置，也會(huì)造成晶粒異常長大的現(xiàn)象。發(fā)生泄漏處的同一位置內(nèi)外表面金相組織出現(xiàn)明顯差異，可以推測泄漏處出現(xiàn)過明顯超溫而導(dǎo)致的材料局部過熱現(xiàn)象，從而造成大量碳化物析出，晶界部分消失或完全消失。

綜合上述分析結(jié)果，本次后屏過熱器管泄漏的主要原因是鋼管在鍋爐運(yùn)行過程中出現(xiàn)了較嚴(yán)重的超溫現(xiàn)象，造成鋼管本身的性能發(fā)生明顯劣化，晶界碳化物大量析出，晶界強(qiáng)度弱化，奧氏體晶粒明顯長大。宏觀上，管子在超溫運(yùn)行的工況下性能發(fā)生劣化后，在內(nèi)部蒸汽壓力的作用下，鋼管逐漸出現(xiàn)脹粗并伴有壁厚減薄現(xiàn)象。當(dāng)壁厚減薄至一定程度時(shí)，材料不足以支撐內(nèi)部蒸汽壓力，造成管子外壁產(chǎn)生多個(gè)蠕脹裂紋，裂紋產(chǎn)生應(yīng)力集中并連接、從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，最終裂紋貫穿整個(gè)壁厚，導(dǎo)致管子發(fā)生泄漏。單根鋼管在運(yùn)行過程中發(fā)生較嚴(yán)重的超溫現(xiàn)象，可能是鋼管內(nèi)部存在異物或其他原因?qū)е鹿軆?nèi)工質(zhì)流動(dòng)不暢，無法帶走鋼管吸收的熱量所致，屬于個(gè)別現(xiàn)象。如果多根鋼管同時(shí)出現(xiàn)類似問題，則考慮可能是設(shè)計(jì)缺陷或需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜紵{(diào)整。本次后屏過熱器管泄漏后，應(yīng)對后屏過熱器整體進(jìn)行表面質(zhì)量檢查，避免后續(xù)類似泄漏事故再次發(fā)生。

6 結(jié)論

1）該后屏過熱器鋼管的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼管的原材料滿足ASME SA-213M 的要求。

2）該后屏過熱器泄漏的原因是鋼管運(yùn)行過程中出現(xiàn)了較嚴(yán)重的超溫現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼管性能劣化，不足以支撐內(nèi)部蒸汽壓力，從而產(chǎn)生蠕脹裂紋，最終發(fā)生泄漏事故。