火力發(fā)電廠末級再熱器G102鋼管泄漏原因

王慶峰

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華北電力試驗(yàn)研究院,北京 100040)

在火電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過程中,鍋爐四管泄漏問題嚴(yán)重威脅著機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。因此,在機(jī)組出現(xiàn)四管泄漏等事故時(shí),應(yīng)對事故原因進(jìn)行分析與總結(jié),并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施,以加強(qiáng)機(jī)組的運(yùn)行管理和維護(hù)維修,從而保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

某火力發(fā)電廠末級再熱器選用了12Cr1Mo V鋼、G102鋼和SA-213T91鋼,其中G102鋼管發(fā)生泄漏事故。末級再熱器G102鋼管區(qū)域自運(yùn)行以來未進(jìn)行改造更換,即泄漏區(qū)域的G102鋼管運(yùn)行時(shí)間已達(dá)16萬小時(shí)。

筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)及能譜分析、力學(xué)性能測試等方法分析了泄漏原因,并提出了一些改進(jìn)措施,以防止該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

末級再熱器距頂棚約5 m,其左數(shù)第34排、前數(shù)第9根垂直段發(fā)生泄漏,并造成周圍部分管子減薄。對左數(shù)第34排、前數(shù)第9根管子的爆口上側(cè)200 mm 管段和爆口下側(cè)800 mm 管段,左數(shù)第31排、前數(shù)第9根管,左數(shù)第34排、前數(shù)第10根管段分別進(jìn)行取樣,并分別標(biāo)記為34-9、34-9上口、34-9下口、31-9和34-10。

爆管過程中,34-9垂直段斷為3段,中間段爆口長度約為350 mm,開口最大處寬約50 mm;斷口粗糙且不平整,邊緣為鈍口、不鋒利;管子內(nèi)、外壁氧化皮明顯,但在爆管過程中氧化皮發(fā)生明顯剝落,管壁厚度減薄約2 mm;中間段與上下段斷口呈撕裂狀。末級再熱器34-9泄漏管宏觀形貌如圖1所示,可見開裂處呈脆性斷裂特征。

圖1 末級再熱器34-9泄漏管宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

泄漏管材料為G102鋼,采用直讀光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:除Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于上限外,其余各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)對G102鋼的要求。G102鋼中Cr元素的主要作用是提高抗蒸汽氧化能力[5]。因此,可以判斷Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高不是泄漏的原因。

表1 34-9泄漏管化學(xué)成分分析結(jié)果

1.3 金相檢驗(yàn)

1.3.1 34-9泄漏管顯微組織形貌

34-9泄漏管爆口處顯微組織形貌如圖2所示,爆口處金屬壁厚明顯減薄,最薄處為1.3 mm,爆口其他地方金屬壁厚約為2 mm。由圖2可知:其顯微組織形貌存在大量蠕變孔洞,孔洞多位于三角晶界處,且直徑最大約為10μm;回火貝氏體基本消失,晶內(nèi)碳化物顯著減少,粗大的碳化物主要分布在晶界處,但未出現(xiàn)雙晶界。依據(jù)DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》進(jìn)行評定,其組織老化級別為4.5級。爆口處顯微組織老化程度嚴(yán)重,且出現(xiàn)了大量蠕變孔洞,達(dá)到蠕變壽命后期。

圖2 34-9泄漏管爆口處顯微組織形貌

34-9上口和34-9下口迎煙氣側(cè)管段的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知:34-9上口和34-9下口迎煙氣側(cè)管段顯微組織基本一致,回火貝氏體區(qū)域基本消失,晶內(nèi)碳化物顯著減少,粗大的碳化物主要分布于晶界處,組織老化級別為4.5級。內(nèi)壁氧化皮厚度分別為1.13 mm 和1.54 mm。

圖3 34-9上口和34-9下口迎煙氣側(cè)管段的顯微組織形貌

1.3.2 31-9的顯微組織形貌

取與31-9同水平高度的管子進(jìn)行分析,31-9迎煙氣側(cè)顯微組織形貌及內(nèi)壁氧化皮微觀形貌如圖4所示。由圖4可知:回火貝氏體區(qū)域基本消失,晶內(nèi)碳化物顯著減少,粗大的碳化物主要分布于晶界處,組織老化級別為4.5級,內(nèi)壁氧化皮厚度為1.43 mm。

圖4 31-9迎煙氣側(cè)顯微組織形貌及內(nèi)壁氧化皮微觀形貌

1.3.3 34-10的顯微組織形貌

取與34-10同水平高度的管子進(jìn)行分析,34-10迎煙氣側(cè)顯微組織形貌及內(nèi)壁氧化皮微觀形貌如圖5所示。由圖5可知:34-10垂直管段顯微組織為回火貝氏體,依據(jù)DL/T 884—2019進(jìn)行評定,組織老化級別為2.5級,仍存在回火貝氏體區(qū)域,但晶界處碳化物顆粒增多、增大,內(nèi)壁氧化皮厚度為0.97 mm。

圖5 34-10迎煙氣側(cè)顯微組織形貌及內(nèi)壁氧化皮微觀形貌

對34-9上口、34-9下口、31-9和34-10的內(nèi)壁氧化皮厚度進(jìn)行匯總,結(jié)果如表2所示。由表2可知;34-9上口、34-9下口及31-9迎煙氣側(cè)內(nèi)壁氧化皮厚度均大于1 mm,且較其他3個(gè)方向的厚度明顯偏厚,而34-10迎煙氣側(cè)及兩側(cè)氧化皮厚度較為均勻,為0.96～0.98 mm,背煙氣側(cè)為0.51 mm。

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表2 內(nèi)壁氧化皮厚度 mm

1.4 掃描電鏡及能譜分析

34-9泄漏管爆口邊緣SEM 形貌及能譜分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:蠕變孔洞主要出現(xiàn)在碳化物顆粒附近和三角晶界處,部分蠕變孔洞直徑已達(dá)10μm;碳化物顆粒主要分布于三角晶界處,其顆粒直徑已達(dá)5μm 左右;箭頭處碳化物顆粒中金屬元素主要為Cr、Mn、Fe、Mo、W 等元素。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長,運(yùn)行6萬、10萬、18萬小時(shí)的G102鋼組織逐漸老化,主要表現(xiàn)為貝氏體中碳化物的析出和長大,并逐漸在晶界聚集,當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到18萬小時(shí)后,碳化物數(shù)量減少,顆粒粗大,并向晶界聚集[6]。Cr和Mo等固溶強(qiáng)化元素不斷脫溶,向碳化物轉(zhuǎn)移,形成VC、M7C3和M6C,導(dǎo)致晶界處的碳化物中合金元素逐漸增多、尺寸增大,同時(shí)造成固溶體的貧化,引起組織的不穩(wěn)定,進(jìn)而影響鋼的熱強(qiáng)性[7]。

圖6 34-9爆口邊緣SEM 形貌及能譜分析結(jié)果

34-9上口、34-9下口和31-9的SEM 形貌如圖7所示。由圖7可知:34-9上口、34-9下口和31-9的晶界處均出現(xiàn)了大量不同尺寸的碳化物顆粒,同時(shí)晶粒內(nèi)部分布著少量彌散的細(xì)小碳化物顆粒。不同的是,34-9上口和34-9下口晶界處碳化物顆粒尺寸已達(dá)4μm 左右,而31-9碳化物顆粒尺寸基本小于2μm。

1.5 力學(xué)性能測試

分別沿34-9上口、34-9下口、31-9和34-10垂直段切取縱向條狀試樣,采用萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行室溫短時(shí)拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表3所示。由表3可知:34-9上口和34-9下口迎煙氣側(cè)試樣的斷后伸長率不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)下限值18.0%;34-10迎煙氣側(cè)抗拉強(qiáng)度明顯低于背煙氣側(cè),且迎煙氣側(cè)試樣的抗拉強(qiáng)度已略低于標(biāo)準(zhǔn)要求;其他所取試樣的力學(xué)性能均符合GB 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

表3 末級再熱器鋼管試樣拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

2 綜合分析

從宏觀形貌上看,末級再熱器爆口呈脆性斷裂特征,斷口粗糙且不平整,管壁減薄明顯。爆管及附近取樣管內(nèi)、外壁均存在氧化皮,外壁氧化皮呈樹皮狀,較脆且易剝落,而內(nèi)壁氧化皮致密,與金屬結(jié)合牢固。34-9上口、34-9下口以及31-9迎煙氣側(cè)內(nèi)壁氧化皮相對較厚,大于1 mm,最厚處為1.54 mm(34-9下口)。較厚氧化皮嚴(yán)重降低了管子的有效承載壁厚[8-9],爆口處管壁最薄處為1.3 mm,爆口附近管子壁厚僅約為2 mm。

從顯微組織上看,34-9上下口、34-9下口迎煙氣側(cè)組織老化級別均為4.5級,回火貝氏體區(qū)域基本消失,晶內(nèi)碳化物顯著減少,粗大的碳化物主要分布于晶界處,34-9爆口位置晶界處的碳化物尺寸最大為5μm 左右,泄漏管其他位置(34-9上口和34-9下口)碳化物顆粒尺寸已達(dá)4μm 左右。按照DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求,G102鋼管碳化物明顯聚集長大(3μm～4μm)時(shí),應(yīng)進(jìn)行材料評定和壽命評估;同時(shí),爆口附近存在大量蠕變孔洞,孔洞多位于三角晶界處和碳化物顆粒附近,部分蠕變孔洞尺寸已達(dá)10μm,達(dá)到蠕變壽命后期。31-9迎煙氣側(cè)組織老化程度與34-9管子相近,老化級別為4.5級,但其晶界碳化物顆粒尺寸基本小于2μm,且未見蠕變孔洞;緊鄰泄漏管的34-10管子老化級別為2.5級,晶界處碳化物顆粒有增多、增大現(xiàn)象,但尚保存部分貝氏體區(qū)域痕跡。總體而言,泄漏管運(yùn)行16萬小時(shí)后組織老化明顯,回火貝氏體逐步消失,Mo、W 元素從固溶體中析出,在晶界處形成塊狀和條狀M6C碳化物,并逐漸長大,碳化物尺寸最大已達(dá)5μm 左右。

從力學(xué)性能上看,34-9上口和下口迎煙氣側(cè)試樣斷后伸長率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)下限值18.0%。34-9上口和下口碳化物明顯聚集長大,尺寸已達(dá)4μm 左右,說明碳化物顆粒尺寸嚴(yán)重影響G102鋼的室溫力學(xué)性能。進(jìn)一步驗(yàn)證了DL/T 438—2016《相關(guān)條款要求。一般而言,碳化物顆粒尺寸、形態(tài)及分布對材料的力學(xué)性能有顯著影響。大尺寸的碳化物顆粒在晶界處析出,造成固溶體的貧化,引起組織的不穩(wěn)定,進(jìn)而影響鋼的熱強(qiáng)性;同時(shí),在外力作用下,裂紋易在碳化物顆粒與基體的界面處萌生并發(fā)生擴(kuò)展,導(dǎo)致材料的沖擊吸收能量和斷后伸長率明顯降低[10-11]。

從結(jié)構(gòu)布置上看,34-9為左數(shù)第34排、前數(shù)第9根管,為末級再熱器第34屏次內(nèi)圈的出口垂直段。因最內(nèi)圈為半高程,34-9爆口處的入口段和出口段之間存在約400 mm 的空間,使次內(nèi)圈的出口段在一定程度上受煙氣直吹。因此34-9和結(jié)構(gòu)位置水平高度相同的31-9管迎煙氣側(cè)內(nèi)壁氧化皮厚度均大于1 mm,且較其他3個(gè)方向明顯偏厚,與34-10管(內(nèi)3圈)內(nèi)壁氧化皮厚度分布明顯不同。

3 結(jié)論與建議

(1)末級再熱器G102鋼的使用溫度限制在602℃,末級再熱器最高運(yùn)行溫度為540～560℃,爐內(nèi)G102 鋼管段壁溫可達(dá)600℃,高于DL/T 715—2015《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》中G102鋼的推薦使用溫度575℃,其組織老化、性能劣化及氧化皮生成速度較快;在后續(xù)鍋爐運(yùn)行過程中,建議重新核算末級再熱器報(bào)警溫度,避免超溫運(yùn)行。

(2)末級再熱器G102鋼管段長周期運(yùn)行16萬小時(shí)后,組織老化、性能劣化嚴(yán)重;建議對末級再熱器G102鋼管段進(jìn)行材料評定和壽命評估,對不滿足繼續(xù)運(yùn)行條件G102鋼管段進(jìn)行更換。

(3)G102鋼管段內(nèi)、外壁氧化皮的生成影響了熱交換,使金屬當(dāng)量壁溫升高,加速了G102鋼組織老化、性能劣化,最終使G102鋼管達(dá)到蠕變壽命后期;應(yīng)結(jié)合機(jī)組檢修安排,對末級再熱器G102鋼管段內(nèi)壁的氧化皮厚度進(jìn)行抽查,當(dāng)氧化皮厚度超過0.5 mm 時(shí),對管子材料進(jìn)行狀態(tài)評估。

(4)建議增加末級再熱器次內(nèi)圈的壁溫測點(diǎn),加強(qiáng)次內(nèi)圈的壁溫監(jiān)測。