高溫過熱器泄漏原因分析

陳 勛，周麗琴

(1. 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所， 武漢 430024;2. 武漢鍋爐集團閥門有限責任公司， 武漢 430200)

材料技術

高溫過熱器泄漏原因分析

陳 勛1，周麗琴2

(1. 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所， 武漢 430024;2. 武漢鍋爐集團閥門有限責任公司， 武漢 430200)

對某電站循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器煮爐時產生泄漏的原因進行了掃描電鏡、能譜分析、裂紋微觀等分析。結果表明：過熱器彎頭開裂是在氯離子和彎頭殘余拉應力共同作用下產生的應力腐蝕開裂。

高溫過熱器； 彎管； 應力腐蝕

高溫過熱器是電站鍋爐中服役溫度最高、環(huán)境最復雜的部件，在電廠運行過程中常由于超溫運行、腐蝕、磨損等原因造成高溫過熱器爆管[1-3]，使得電站鍋爐無法正常使用，因此分析高溫過熱器的失效原因對電廠的安全運行和使用壽命具有重要意義。

某電廠一臺循環(huán)流化床鍋爐安裝完成，整體泵水合格后放置8個月，在200～300 ℃煮爐期間，高溫過熱器彎頭上多處發(fā)生泄漏，現(xiàn)將工地帶回的一根鋼管取樣進行檢驗分析，高溫過熱器材料為12Cr1MoVG，直徑為38 mm，壁厚為5 mm。筆者通過掃描電鏡、能譜分析、裂紋微觀形貌等方法，結合高溫過熱器制造工藝和服役條件，分析了高溫過熱器產生裂紋的原因。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 磁粉探傷檢驗

現(xiàn)場帶回的試樣見圖1。

圖1 現(xiàn)場帶回試樣

對泄漏的高溫過熱器進行磁粉探傷，結果表明：裂紋位于彎管的側面，沿軸向開裂，直管段沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

磁粉探傷后，在高溫過熱器彎頭部位發(fā)現(xiàn)裂紋位置取宏觀、微觀試樣；在直管段取拉伸試樣和化學成分分析試樣。

1.2 化學成分分析

從開裂彎管直管段上取塊狀樣品，使用QSN750型直讀光譜儀等，對其進行化學分析，結果見表1。與標準比較可見，該鋼管的化學成分符合GB 5310—2008中12Cr1MoVG的要求。

表1 直管段化學成分 %

1.3 力學性能分析

從開裂彎管直管段上取樣，對其進行力學性能試驗，結果見表2。與標準比較可見，該鋼管的力學性能符合GB 5310—2008中12Cr1MoVG的要求。

表2 直管段力學性能

1.4 橢圓度和壁厚減薄量分析

圖2為高溫過熱器彎頭中部截面的宏觀試樣，上部為彎管的外側減薄區(qū)，下部為彎管的內側增厚區(qū)。

圖2 彎頭中部截面宏觀試樣

彎頭部位的橢圓度為(38.3-35.6)/38=7.1%；彎頭部位的壁厚減薄量為(5.0-4.5)/5.0=10%。

該彎管的半徑R=72 mm，由WG/N 3.1—2005 和JB/T 1611—1993 鍋爐管子制造內控標準可知，彎管的橢圓度和壁厚減薄量應分別不超過12%和25%，所以該彎管的橢圓度和壁厚減薄量符合要求。

1.5 宏觀裂紋分析

由圖2可知：裂紋均位于彎頭兩側靠近彎管的內側增厚區(qū)，兩側的裂紋幾乎呈對稱分布，右側裂紋已經完全貫穿整個管壁，左側裂紋由管內壁向外壁擴展，還未完全貫穿，可見裂紋萌生于管內壁，沿徑向由內壁向外壁擴展；內壁還發(fā)現(xiàn)凹坑和軋制的縱向條紋。

1.6 微觀裂紋分析

圖3為彎管裂紋處顯微組織，圖4為裂紋顯微形貌。

圖3 彎頭處顯微組織

圖4 裂紋顯微形貌

由圖3可知：彎頭顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為8.5級，組織未發(fā)生球化；帶狀組織級別為3級；內外壁全脫碳層為0 mm；各類夾雜物級別為A0.5、B0.5、C0.5、D1.0。鋼管的顯微組織符合GB 5310—2008中12Cr1MoVG的規(guī)定。

由圖3、圖4可知：裂紋萌生于管內壁，裂紋萌生處伴隨著與主裂紋平行的細小裂紋，均由管內壁向外壁擴展，裂紋是沿著鐵素體的晶界擴展，裂紋呈沿晶開裂的特征，裂紋擴展中出現(xiàn)少量分叉現(xiàn)象，屬于典型的應力腐蝕裂紋[4]。裂紋內部充滿灰色疏松的腐蝕產物，見圖5。

圖5 裂紋內部腐蝕產物

對腐蝕產物進行能譜分析，結果見圖6。由圖6可知腐蝕產物中存在Cl和Ca元素。

圖6 腐蝕產物的能譜分析

2 試驗結果與分析

該循環(huán)流化床鍋爐煮爐采用氫氧化鈉和磷酸三鈉堿煮，加藥量各為4 kg/m3，壓力為1.96～2.45 MPa，煮爐開始幾個小時后發(fā)現(xiàn)高溫過熱器彎頭上多處泄漏，根據(jù)前述能譜分析結果，裂紋內部腐蝕產物中并未發(fā)現(xiàn)堿煮所用藥劑主要元素Na，管內壁和裂紋內部也均未發(fā)現(xiàn)白色顆粒或堿結晶，這說明高溫過熱器彎頭裂紋并非由堿引起的應力腐蝕開裂，裂紋也并不是萌生于煮爐期間。

腐蝕產物中存在Cl元素是由泵水試驗時所用水引入，且含量較高。鍋爐在安裝完成、泵水合格后會排掉鍋水，但過熱器管管壁上仍會殘存少量水分，且管內空氣的濕度也會較大，存在于金屬表面上的某些吸濕性物質就可能從空氣中吸收水分，在管內壁局部區(qū)域形成了含有Cl離子的水溶液，為應力腐蝕裂紋的形成提供了環(huán)境因素。Cl離子有很強的被金屬吸附的能力，會優(yōu)先被吸附并從金屬表面把氧原子排掉，和氧化膜中的陽離子結合成可溶性氯化物，破壞了金屬表面的氧化膜，導致了腐蝕的加速。

過熱器蛇形管是通過冷彎加工制造而成，彎頭部位經歷了外側管壁減薄、內壁管壁增厚，以及由圓變橢圓的過程，彎頭處的殘余應力較大，彎頭整個圓周方向上全部環(huán)向殘余應力均為拉應力；而最大的殘余拉應力位于彎頭兩個側面的中間位置[5]，本例中泄漏裂紋正位于這一區(qū)域，彎頭處的殘余拉應力為應力腐蝕裂紋的形成和擴展提供應力條件。

通過以上分析可知：高溫過熱器彎頭裂紋產生于泵水試驗后空置期間，在Cl離子和彎頭殘余拉應力共同作用下萌生的；裂紋起源于管內壁，在煮爐前裂紋并未完全貫穿整個管壁，煮爐一段時間后，管內壓力逐步上升，裂紋迅速擴展造成彎頭處泄漏。

3 結語

通過分析可得以下結論：

(1) 高溫過熱器彎頭裂紋產生于泵水試驗后空置期間，是在Cl離子和彎頭殘余拉應力共同作用下產生的應力腐蝕開裂。

(2) 高溫過熱器彎頭裂紋并不是萌生于煮爐期間，并非由煮爐所用堿性藥劑引起的應力腐蝕開裂。

[1] 張而耕,王瓊琦,鄭凱書,等. 過熱器管爆管原因的失效分析[J]. 壓力容器,2009,26(5):44-49.

[2] 趙彥芬. 揚子石化鍋爐金屬監(jiān)督報告[R]. 蘇州：蘇州熱工研究院有限公司電站壽命管理研究中心,2007.

[3] 王偉,王學,鐘萬里,等. 屏式過熱器T23/12Cr1MoV異種鋼接頭失效分析[J]. 中國電力, 2013,46(10):9-12.

[4] 左景伊. 應力腐蝕破裂[M]. 西安: 西安交通大學出版社,1985.

[5] 鄭相鋒,馮硯廳,牛曉光,等. 超臨界鍋爐頂棚過熱器彎管斷裂失效分析[J]. 熱加工工藝,2011,40(22):201-202.

Leakage Analysis of High-temperature Superheaters

Chen Xun1, Zhou Liqin2

(1. Wuhan Boiler Pressure Vessel Inspection Institute, Wuhan 430024, China;2. Wuhan Boiler Group Valve Co., Ltd., Wuhan 430200, China)

The reasons of leakage found in the high-temperature superheater of a circulating fluidized bed boiler during boiling out were examined by scanning electron microscope, energy spectrum analysis and microscopic crack analysis. Results show that the breaking of superheater elbow is of the stress corrosion kind, which is caused by combined action of chloride ion and residual tensile stress.

high-temperature superheater; elbow; stress corrosion

2015-01-21

陳 勛(1987—)，男，工程師，主要從事承壓類特種設備檢驗工作。

E-mail: 363523253@qq.com

TM621.2

A

1671-086X(2015)04-0288-03