鍋爐螺旋水冷壁T2鋼內(nèi)螺紋管滲漏事故分析

田曉，曹劍峰，肖國(guó)華，李益民

(西安熱工研究院有限公司，西安市 710043)

0 引言

某電廠擴(kuò)建工程安裝2臺(tái)660MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，配套安裝2臺(tái)東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司制造的墻式燃燒、對(duì)稱露天布置、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、Π型、超臨界參數(shù)、變壓直流鍋爐。2012年9月29日，在鍋爐整體水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)中部左側(cè)墻螺旋水冷壁管(第8屏、第22號(hào)管)出現(xiàn)滲漏，該管為SA-213T2內(nèi)螺紋管，規(guī)格為φ38.1 mm×7.5 mm。為查明水冷壁管滲漏原因，提出合理的預(yù)防措施，對(duì)水冷壁滲漏管段進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

1 試驗(yàn)分析

1.1 宏觀形貌檢查

對(duì)中部螺旋水冷壁滲漏管段(22號(hào))和未滲漏管段(23號(hào))進(jìn)行取樣分析，其宏觀形貌如圖1、2所示。

圖1 中部螺旋水冷壁取樣管段宏觀形貌Fig.1 Macrograph of sampling tube section in the middle part of spiral water wall

圖2 中部螺旋水冷壁22號(hào)管段滲漏處宏觀形貌Fig.2 Macrograph of leakage position in No.22 tube in the middle part of spiral water wall

由圖1、2可知，22號(hào)管段滲漏處存在沿管子縱向分布的線性裂紋，裂紋長(zhǎng)約35 mm，位于直管段上，距離2個(gè)管段的對(duì)接焊縫30 mm。因此，可排除因?qū)雍缚p存在焊接缺陷或焊接殘余應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致該管段發(fā)生滲漏的可能。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)中部螺旋水冷壁滲漏管段的成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。該管段的元素含量符合美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(American society of mechanical engineers，ASME)標(biāo)準(zhǔn) ASME SA-213［1］中的相關(guān)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.1 Composition analysis results

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)中部螺旋水冷壁滲漏管段和未滲漏管段分別進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。滲漏管段和未滲漏管段的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均處于較高水平，滿足ASME SA-213標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

表2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tensile test results at room temperature

對(duì)中部螺旋水冷壁滲漏管段和未滲漏管段分別進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。T2鋼與12CrMoG鋼為近似鋼種，參照 GB 5310—2008［2］標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)12CrMoG鋼沖擊性能的要求，由表3可知水冷壁滲漏管段和未滲漏管段的沖擊性能遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，具有良好的沖擊韌性。

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Impact test results

對(duì)中部螺旋水冷壁滲漏管段和未滲漏管段分別截取環(huán)狀管樣進(jìn)行硬度測(cè)量，結(jié)果如表4所示。由表4可知，滲漏管段和未滲漏管段的硬度均符合ASME SA-213的相關(guān)要求。

表4 硬度測(cè)量結(jié)果Tab.4 Hardness test results

1.4 形貌及金相分析

在水冷壁滲漏管段線性裂紋中間位置處將管段截開(kāi)，制取金相環(huán)，在體式顯微鏡及Olympus金相顯微鏡上觀察滲漏管段橫截面上裂紋的低倍形貌、金相組織和顯微形貌，如圖3所示。滲漏處裂紋已貫穿整個(gè)管段橫截面，且裂紋內(nèi)部有片(塊)狀的夾雜物。由圖3(a～c)可知，該管段的滲漏裂紋是由于外壁的主裂紋向內(nèi)擴(kuò)展，與內(nèi)壁的小裂紋連通在一起形成的。從圖3(d)、(e)可見(jiàn)，內(nèi)壁裂紋兩側(cè)及裂紋尖端附近晶粒為鐵素體，而T2鋼正常金相組織為鐵素體+珠光體，這表明在內(nèi)壁裂紋兩側(cè)及裂紋尖端發(fā)生了脫碳現(xiàn)象，脫碳層厚度為250～300 μm，且內(nèi)壁兩側(cè)的珠光體晶粒沿軋制流線方向分布，據(jù)此推斷該裂紋是在管子制造時(shí)形成的。

對(duì)中部螺旋水冷壁滲漏管段進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，如圖4所示。該管段金相組織由鐵素體+珠光體組成，晶粒度為6～7級(jí)，符合GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

1.5 掃描電鏡分析

對(duì)中部螺旋水冷壁滲漏管段橫截面試樣進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，掃描電鏡形貌如圖5所示，能譜分析結(jié)果如圖6所示。

圖3 中部螺旋水冷壁22號(hào)管段滲漏處橫截面低倍形貌、金相和顯微形貌照片F(xiàn)ig.3 Crack tip micrograph of the cross section of leakage position in No.22 tube

由圖5可知，裂紋內(nèi)部存在大量的片狀(塊狀)的夾雜物。由圖6可知，裂紋內(nèi)部的夾雜物主要成分為Fe、O，其應(yīng)為管子在高溫軋制或熱處理時(shí)形成的氧化皮。

圖6 滲漏管段橫截面試樣裂紋內(nèi)部夾雜物能譜分析Fig.6 Energy spectrum analysis result of inclusion inside cracks of leak cross-section

2 綜合分析

T2鋼內(nèi)螺紋管的制造工藝流程為:熱軋荒管(1250～1290℃)—酸洗、潤(rùn)滑—冷軋(冷拔)—中間熱處理—酸洗、潤(rùn)滑—打頭—成型道拔制—成品熱處理(920℃)—精整—成品探傷、檢驗(yàn)—包裝—入庫(kù)［3-4］。由金相分析和掃描電鏡觀察可知，內(nèi)壁裂紋兩側(cè)和裂紋尖端存在厚度約300 μm的脫碳層，且裂紋周圍的晶粒沿軋制流線方向分布，有別于管子橫截面上的正常晶粒形貌，裂紋內(nèi)部夾雜著高溫時(shí)形成的氧化鐵。由此可以推斷，內(nèi)壁裂紋應(yīng)為折疊裂紋，是在管坯高溫?zé)彳埑苫墓軙r(shí)因內(nèi)表面凸起部分被軋入管坯本體而形成的［5］。與內(nèi)壁裂紋相貫通的外壁裂紋，開(kāi)口在管子外表面，由管子外壁向內(nèi)部延伸，裂紋內(nèi)部也夾雜著大量的氧化鐵，因此外壁裂紋與內(nèi)壁的折疊裂紋均為T2鋼內(nèi)螺紋管在熱軋成荒管過(guò)程中，因工藝不當(dāng)或管坯表面存在缺陷而形成的［6-7］。

T2鋼內(nèi)螺紋管裂紋處于管子頭部的夾持部位，屬于檢測(cè)盲區(qū)，因此在出廠前的探傷檢驗(yàn)中未能查出，而且在探傷后又未將管子頭部檢測(cè)盲區(qū)段切除，致使該缺陷保留下來(lái)［8-10］，最終導(dǎo)致該管子在鍋爐整體水壓試驗(yàn)時(shí)滲漏。

3 結(jié)語(yǔ)

螺旋水冷壁T2鋼內(nèi)螺紋管滲漏處的線性裂紋是在熱軋成荒管時(shí)因工藝不當(dāng)或管坯表面存在缺陷而形成的，因該缺陷存在于管子端頭(屬于無(wú)損檢測(cè)盲區(qū))，管子包裝入庫(kù)前又未將管子端部切除，致使該缺陷保留下來(lái)，導(dǎo)致該管段在鍋爐整體水壓試驗(yàn)時(shí)滲漏。

建議制造廠加強(qiáng)對(duì)熱軋荒管表面質(zhì)量檢查，避免因荒管表面缺陷影響冷拔成品管的成品率及質(zhì)量;對(duì)于成品管端部的無(wú)損檢測(cè)盲區(qū)，出廠前應(yīng)予以切除或做補(bǔ)充檢測(cè)，避免該部位存在缺陷而被當(dāng)作合格品出廠。建議電廠對(duì)同批T2鋼內(nèi)螺紋管端頭進(jìn)行擴(kuò)大檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除類似缺陷，確保機(jī)組安全投運(yùn)。

［1］ASME SA-213—2004鍋爐、過(guò)熱器用無(wú)縫鐵素體和換熱器奧氏體合金鋼管子［S］.

［2］GB 5310—2008高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管［S］.

［3］彭孫鴻，鄧爾康，劉彩玲，等.T2鋼內(nèi)螺紋管的研制［J］.特殊鋼，1999，20(6):48-50.

［4］彭孫鴻，鄧爾康，劉彩玲，等.SA-213T2鋼內(nèi)螺紋管的性能研究［J］.鋼管，2004，33(2):19-21.

［5］王魯義，陳其偉，朱國(guó)輝.12Cr1MoVG無(wú)縫鋼管表面裂紋分析［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27(2):135-139.

［6］周曉峰.熱軋無(wú)縫鋼管內(nèi)折缺陷分析［J］.鋼管，2009，38(5):48-51.

［7］張惠萍，陳洪琪，盧玲玲，等.連鑄管坯質(zhì)量對(duì)鋼管內(nèi)折缺陷的影響［J］.鋼管，2006，35(6):27-30.

［8］田曉.8號(hào)鍋爐中部螺旋水冷壁管滲漏原因分析［R］.西安:西安熱工研究院有限公司，2012.

［9］成海濤.無(wú)縫鋼管缺陷與預(yù)防［M］.成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

［10］何輔云，朱淮河.無(wú)縫鋼管折疊缺陷檢測(cè)方法及裝置［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999，22(3):78-80.