火電鍋爐末級(jí)再熱器管開(kāi)裂原因分析

楊 波

（國(guó)能山西河曲發(fā)電有限公司，山西忻州 036500）

0 引言

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)大體為“富煤、貧油、少氣”，決定了我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)以煤電為主的電力結(jié)構(gòu)組成的情況。近年來(lái)，國(guó)家大力推動(dòng)綠色發(fā)展，并提出了力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳目標(biāo)”，加速了能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，煤電所占比重逐步下降，風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)量增長(zhǎng)顯著［1－2］。新能源裝機(jī)容量增加導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰需求越來(lái)越大，目前電網(wǎng)調(diào)峰仍以火電為主［3－4］，深度調(diào)峰造成了火電鍋爐運(yùn)行不溫度，降低了機(jī)組的使用壽命?；痣婂仩t受熱面管處于內(nèi)部高溫高壓、外部高溫?zé)煔獾膼毫訔l件下，受熱面管開(kāi)裂失效事件時(shí)有發(fā)生，機(jī)組調(diào)峰導(dǎo)致的溫度驟變、燃燒不穩(wěn)定等進(jìn)一步增加了火電鍋爐失效事件的發(fā)生，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行造成隱患，也降低了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性［5－7］。因此，有必要對(duì)鍋爐受熱面管失效原因進(jìn)行分析，以便提出合理的防范措施，消除隱患，提高經(jīng)濟(jì)性。

某火力發(fā)電廠＃4 鍋爐為某公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的超臨界直流爐，是一次再熱、墻式切圓燃燒、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐，鍋爐型號(hào)為HG－2141－25.4－YM16。鍋爐主要參數(shù)為：主蒸汽流量2 141 t／h，主蒸汽出口溫度571 ℃，主蒸汽出口壓力25.40 MPa；給水溫度293 ℃，給水壓力28.87 MPa；

再熱蒸汽流量1 744 t／h，再熱蒸汽出口溫度569 ℃，再熱蒸汽出口壓力4.8 MPa。4號(hào)鍋爐末級(jí)再熱器出口集箱材質(zhì)及規(guī)格：SA－335P91，φ697×65 mm。管接頭材質(zhì)及規(guī)格為：SA－213T91，φ70×5 mm；SA－213T91，φ60×5 mm；SA－213T91，φ54×6 mm。＃4 機(jī)組于2013 年投產(chǎn)運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行超過(guò)67 000 h。

2022年6 月22 日，4 號(hào)機(jī)組A修鍋爐再熱器系統(tǒng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，鍋爐大包內(nèi)末級(jí)再熱器出口集箱出現(xiàn)泄漏。通過(guò)排查確認(rèn)，泄漏點(diǎn)有兩處，分別位于：末再出口集箱右數(shù)第二排（爐后側(cè)），上數(shù)第一根管管座角焊縫處（管子側(cè)熔合線部位），管接頭規(guī)格φ70×5 mm，材質(zhì)T91；末再出口集箱左數(shù)第16 排（爐后側(cè)），下數(shù)第一根管管座角焊縫，管接頭規(guī)格φ54×6 mm，材質(zhì)T91。泄漏位置如圖1 所示，圖中圓圈內(nèi)標(biāo)注處為泄漏點(diǎn)；圖2 為兩處泄漏點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)照片。為了防止管子再次泄漏，消除安全隱患，對(duì)泄漏點(diǎn)位置取樣進(jìn)行了試驗(yàn)分析，以確定泄漏原因。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，只取下右數(shù)第二排（爐后側(cè)），上數(shù)第一根管取樣進(jìn)行試驗(yàn)分析。

圖1 泄漏位置示意圖

圖2 兩處泄漏點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)照片

1 分析方案

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取下的開(kāi)裂管段斷口宏觀檢查，初步判斷其開(kāi)裂性質(zhì)。之后對(duì)管子取樣進(jìn)行斷口微觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相組織檢驗(yàn)等，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，判斷管子材質(zhì)是否正常，顯微組織是否老化，結(jié)合管子的服役工況，對(duì)管子開(kāi)裂原因進(jìn)行分析。取樣方案如圖3 所示。

圖3 取樣方案

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 宏觀檢驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)取樣的開(kāi)裂管段宏觀檢查照片如圖4 所示。裂紋位于管座環(huán)狀角焊縫下部T91 管側(cè)熔合線附近，裂紋在圓周方向擴(kuò)展約一半?yún)^(qū)域，中間較寬，兩端較細(xì)。管段沿裂紋取下后觀察，管壁無(wú)明顯脹粗和減薄。斷口中部為正斷，屬早期開(kāi)裂區(qū)域，斷面垂直管軸線，起源于外壁，由外而內(nèi)擴(kuò)展，擴(kuò)展斷面顏色為黑色和紅褐色，紋路為清晰的橫紋。根據(jù)斷口宏觀形貌，初步判斷其開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞開(kāi)裂［8－9］。

2.2 斷口微觀分析

掃描電鏡下觀察，斷口正斷區(qū)域呈清晰的擠壓紋理?xiàng)l帶，斷面上覆蓋有較多的腐蝕產(chǎn)物，擴(kuò)展區(qū)表面也有明顯氧化，細(xì)節(jié)不可分辨。能譜分析顯示擴(kuò)展區(qū)表面氧化物主要為O、Fe、Cr等元素。如圖5 所示。

圖5 斷口表面形貌及能譜分析結(jié)果

2.3 化學(xué)成分分析

表1 所示為ASME SA—213《鍋爐過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》對(duì)T91 材料的化學(xué)成分要求。在管子金相試樣旁取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2 所示，與表1 中標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比可知，管子除Nb含量略低于標(biāo)準(zhǔn)要求外，其余的化學(xué)成分滿足ASME SA—213 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 標(biāo)準(zhǔn)ASME SA—213 對(duì)T91 化學(xué)成分要求%

表2 取樣管化學(xué)成分分析結(jié)果%

2.4 拉伸性能測(cè)試

在直管位置取樣，加工成條狀試樣，按照標(biāo)準(zhǔn)GB／T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3 所示。表中同時(shí)還列出了標(biāo)準(zhǔn)ASME SA—213《鍋爐過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》對(duì)T91 鋼管室溫拉伸性能要求。從拉伸性能的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，除一個(gè)試樣的延伸率略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，管子的其他拉伸性能指標(biāo)滿足ASME SA—213 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果

2.5 金相檢驗(yàn)

圖3 分別在斷口處（1 號(hào)）、彎管處（2 號(hào)）、直管段（3 號(hào)）取金相環(huán)樣，其中1 號(hào)環(huán)縱向剖開(kāi)1－1 為啟裂處，1－2 為未開(kāi)裂部分，對(duì)試樣預(yù)磨、拋光、浸蝕、無(wú)水乙醇清洗吹干后在顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 金相檢驗(yàn)照片

結(jié)果可見(jiàn)，各試樣管壁中心金相組織均為回火馬氏體，依據(jù)DL／T 2219—2021《火力發(fā)電廠用10Cr9Mo1VNbN鋼顯微組織老化評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)，組織老化級(jí)別約2 級(jí)，老化情況較為輕微。斷口處取樣1－1 靠近外壁附近組織老化級(jí)別約5 級(jí)，組織為鐵素體＋碳化物，老化較為嚴(yán)重。斷口附近取樣1－1 內(nèi)壁氧化皮厚度約193 μm，未開(kāi)裂位置取樣1－2 內(nèi)壁氧化皮厚度約136 μm，而遠(yuǎn)離斷口取樣2和3內(nèi)壁氧化皮厚度較薄分別僅約71 μm和34 μm。由，于內(nèi)、外壁氧化皮均有不同程度的脫落且氧化皮分布不均勻，氧化皮厚度測(cè)量值存在一定的誤差，但整體來(lái)看，管段內(nèi)壁氧化皮厚度在穩(wěn)定工況下的脫落風(fēng)險(xiǎn)較?。?0］。

3 結(jié)果分析

3.1 材料方面

末再管化學(xué)成分除Nb 含量略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，其他的化學(xué)成分滿足ASME SA—213 標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)鋼管性能影響較小。力學(xué)性能強(qiáng)度合格，延伸率單根值偏低，鑒于條形拉伸試樣通常均會(huì)低于圓試樣［11－12］，分析認(rèn)為，延伸率不宜判為不合格。金相組織方面管段整體上老化級(jí)別約2 級(jí)，老化較為輕微，僅在起裂源處的外壁有較薄的一層嚴(yán)重老化區(qū)域，但該層厚度較薄，對(duì)管段整體性能影響較小。由上可見(jiàn)，本次管子發(fā)生開(kāi)裂與管子本身材質(zhì)無(wú)關(guān)，且排除了長(zhǎng)時(shí)或短時(shí)超溫的情況［13－15］。

3.2 結(jié)構(gòu)受力方面

集箱各末再管間不同程度、不同方位均出現(xiàn)環(huán)狀角焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，說(shuō)明其開(kāi)裂具有一定的共性原因。

應(yīng)力來(lái)源方面：末再聯(lián)箱與末再管采用環(huán)狀角焊縫連接，在服役過(guò)程中整個(gè)管系由于機(jī)組啟停和調(diào)峰過(guò)程中末再集箱與末再管存在溫度響應(yīng)梯度，均會(huì)引入熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，造成二者熱膨脹不同步［16－17］。

應(yīng)力集中方面：斷裂位置為環(huán)狀角焊縫管子T91 熔合線側(cè)，此處在空間結(jié)構(gòu)上形成了變截面處，也即應(yīng)力提升源區(qū)域［18］。

3.3 開(kāi)裂原因分析

根據(jù)斷口宏觀檢查結(jié)果，斷口附近無(wú)宏觀塑性變形，斷口表面存在具有明顯的貝紋線特征，判斷其開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞開(kāi)裂。服役過(guò)程中，末再管環(huán)狀角焊縫熔合線附近，由于應(yīng)力偏大或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中等因素，首先以韌性擠壓或疲勞等方式開(kāi)裂。正斷區(qū)域開(kāi)裂后，應(yīng)力松弛，該區(qū)域擴(kuò)展減緩或停止。與此同時(shí)，兩端區(qū)域應(yīng)力提升，新的裂紋源產(chǎn)生，在拉應(yīng)力下剪斷并沿圓周擴(kuò)展。擴(kuò)展過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，早期開(kāi)裂的斷口面高溫氧化，形成厚厚的氧化物覆蓋。裂紋由外而內(nèi)逐步擴(kuò)展，隨著機(jī)組停機(jī)承受因溫差產(chǎn)生的嚴(yán)重?zé)峤蛔儜?yīng)力而導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展加劇，但尚未穿透管壁，在水壓試驗(yàn)過(guò)程中裂紋臨界瞬間擴(kuò)展致管接頭開(kāi)裂。

4 結(jié)束語(yǔ)

末再管開(kāi)裂斷口附近無(wú)宏觀塑性變形，斷口存在具有明顯的貝紋線特征，判定其為疲勞開(kāi)裂失效。由于開(kāi)裂位置處于結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中位置，而鍋爐工況又較為復(fù)雜，引起疲勞開(kāi)裂的可能原因較多，主要有以下幾個(gè)方面。

（1）設(shè)計(jì)方面：是否存在管壁偏薄，承載力弱可能性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面建議復(fù)核環(huán)狀角焊縫根本強(qiáng)度或采用加強(qiáng)型管座，是否滿足出現(xiàn)偏載、振動(dòng)等極端情況。

（2）制造方面：環(huán)狀角焊縫焊接及熱處理工藝，焊接拘束應(yīng)力及殘余應(yīng)力過(guò)大。

（3）安裝方面：集箱下沉或末再管服役過(guò)程中受向上力抬起。末再管另一端焊接連接時(shí)，是否存在湊距離現(xiàn)象，過(guò)長(zhǎng)將管抬起，或過(guò)短將管壓下，呈承受附加裝配應(yīng)力。支座吊架形式對(duì)聯(lián)箱膨脹產(chǎn)生明顯約束。

（4）運(yùn)行方面：機(jī)組頻繁啟停、機(jī)組調(diào)峰負(fù)荷大幅度變化造成溫度變化以及溫度分布不均導(dǎo)致聯(lián)箱管接頭根部產(chǎn)生熱交變應(yīng)力，造成疲勞損耗。