超超臨界機組低溫再熱器失效分析

滕樹會

(廣東大唐國際肇慶熱電有限責任公司，廣東 肇慶 526105)

0 引言

某電廠#3機組鍋爐為HG3110/ 26.15-YM2型單爐膛反向雙切圓、П型布置、一次中間再熱、低NOx主燃燒器和高位燃盡風分級燃燒技術、超超臨界變壓運行直流鍋爐。2016-12-16 T 09:01，#3機組正常運行，機組負荷552 MW，主蒸汽壓力13.1 MPa，主蒸汽溫度593 ℃，再熱蒸汽壓力2.5 MPa，再熱蒸汽溫度602 ℃，運行值班人員監盤發現#3鍋爐低溫再熱器出口管壁溫度(52屏1管)561 ℃，超過報警值555 ℃，比其他管屏溫度高出60 ℃左右，運行人員通過調整過、再熱煙氣擋板，降低再熱蒸汽溫度運行，通知設備部熱控和鍋爐專業檢查。

熱控專業檢查壁溫測點，測點信號正常；鍋爐專業查看安全儀表系統(SIS)顯示趨勢，發現四管泄漏能量值13，18點有輕微上漲(同等條件下，能量值高3%～5%)，就地打開觀火孔監聽爐內情況，能聽到細微的泄漏聲音。停爐后檢查發現，爆管位于從爐左至爐右數第103根外圈第1根管。

1 管樣材料質量檢驗

1.1 宏觀形貌

爆管宏觀形貌如圖1所示。由圖1可見，開裂位置位于焊縫熔合線附近，開裂總長度約為1/2圓周，開裂位置管子無明顯脹粗和塑性變形，并存在兩處被鄰近管子泄漏蒸汽吹損減薄的破口；焊縫上存在3個表面氣孔，爆口附近存在一條長約15 mm的裂紋。

圖1 爆管宏觀形貌

1.2 硬度試驗及性能分析

對爆口附近進行硬度檢測，數據見表1，試驗位置如圖1a所示。根據DL/T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》[1]、DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》[2]，12Cr1MoVG母材硬度控制范圍為135～195 HB，同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫硬度≤270 HB且不大于母材硬度+100 HB。由表1可知，無論是爆口還是對比焊接接頭，焊縫和熱影響區硬度偏高，硬度大于或接近標準上限。

對爆口位置2處取樣進行常溫性能試驗，數據見表2。由表2可知，迎火側Rp0.2，Rm，A等3項性能指標均已不符合標準要求，背火側性能稍好于迎火側，其塑性延伸強度Rp0.2稍低于標準要求。

1.3 化學成分

對爆漏管樣進行化學成分分析，結果見表3。由表3可見，管樣的化學成分分析結果符合標準要求。

表1 樣品管硬度檢測數據

1.4 金相組織分析

對爆管焊縫、熔合線、母材進行金相組織分析，具體組織如圖2～4所示。由圖2～3可知，爆口外壁存在氧化皮，且裂紋走向為沿晶型，而爆口內壁呈撕裂狀，可見裂紋起源于外壁，并向內壁不斷擴展。爆口附近熱影響區組織為細小等軸晶(重結晶區)，大量碳化物沿晶界析出并聚集分布。焊縫組織為典型鑄態組織，組織大小不均。由圖4a可知，管子母材組織為鐵素體+貝氏體，部分碳化物沿鐵素體晶界分布。由圖4b可知，位置3處(未發生開裂焊接接頭)熱影區為粗大的貝氏體組織，焊縫組織為貝氏體+少量鑄態組織，組織不均勻。

1.5 焊縫無損檢測結果分析

在安裝完成后，對焊縫進行了射線檢測(RT)，曾因焊縫有超標缺陷返修二次處理。焊縫RT膠片如圖5所示，由圖5可知：第1次返修后，根部仍有未熔合、氣孔等危害性缺陷；最終檢測結果雖合格，但在焊縫處有3個在標準范圍內的氣孔，表面一側有咬邊。

表2 取樣管道常溫性能試驗數據

表3 爆管樣的化學成分分析結果 %

圖2 爆管內、外壁金相組織分析

圖3 爆口處及焊縫熱影響區金相組織分析

圖4 爆管母材金相組織分析

2 綜合分析

(1)分析爆管迎火側、背火側硬度及常溫性能試驗數據，發現該管子的原始性能均偏高，強度、硬度高，塑、韌性相對較差，材料的脆性較高。低溫再熱器受熱面管位于后煙道前側，雖外壁面的煙溫相比爐膛有了較大幅度的下降，但受煙氣灰固體顆粒物的沖刷較嚴重，當鍋爐負荷波動較大時，管子還受沖擊載荷的作用，材料塑、韌性差，脆性高，材料發生脆性斷裂的傾向要大許多。

(2)從爆管處的金相組織分析可知，爆口附近熱影響區組織為細小等軸晶，組織中晶界上有大量碳化物析出并聚集，如圖3所示。晶界碳化物析出過多，降低了晶界的結合力，其強度降低，為沿晶開裂創造了條件；焊縫組織大小不均、熱影區為粗大的貝氏體組織。據相關資料[4]，貝氏體組織的強度要高于鐵素體、珠光體。同時，不均勻的組織有可能造成材料的各向異性較差，也可能造成材料性能的不均勻性，如果性能較差的位置位于焊縫熱影響區，就大大增加了管子及接頭的失效幾率；焊接接頭中由于熱影響區過熱區的存在，使熱影響區成為性能最弱的區域，過于粗大的貝氏體組織使這一區域的性能變得更差，直接導致性能大幅度下降。這種情況，一方面可能是焊接接頭的焊接工藝參數選擇不當，焊接參數過大造成的，另一方面可能是焊后熱處理工藝執行不到位等原因造成的。

(3)檢測手段及靈敏度的限制。目前，火力發電廠對小口徑管道對接接頭的無損檢測，更多采用RT檢測方法。按NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分:射線檢測》[5]的要求，要進行兩個方向的A，B透照，但由于低溫再熱器管屏間間距較小，無法做到標準要求，選擇最多的方案是一個方向橢圓透照，這種方法大大降低了檢測靈敏度和檢出率，有可能造成漏檢。同時，外壁面焊縫邊緣咬邊為焊工自檢項目，但由于焊工的質量意識不強，會造成外咬邊或較小的表面氣孔漏檢，這給焊接接頭的質量及性能造成很大的隱患。

(4)焊接質量不良。焊縫中有氣孔，造成焊縫有效受載截面減小，從而引起截面性能下降，其承載能力下降；表面咬邊，很容易在焊縫邊緣造成較大的應力集中，加之這一區域又是接頭中最薄弱的環節，更容易在應力集中的區域產生早期裂紋及失效。

(5)運行方面。該爆管位于本層外側第1根管，在上方600 mm處有長管蒸汽吹灰器。在吹灰過程中，會在極短時間內對管子施加一個沖擊力，這種力會對管子受力產生不良影響，吹灰時造成局部煙氣場變化，也會影響管子的受力狀況。

3 結論與建議

3.1 結論

(1)管子本身塑、韌性較差，脆性過大，是造成爆管的內在原因。

(2)管子及焊縫的組織不均勻，有過大的貝氏體存在，晶界碳化物析出過多，造成接頭及母材性能不良，是爆管的另一內在原因。

(3)焊接質量不良，表面氣孔、咬邊缺陷，使焊縫承載能力下降，容易造成應力集中，是爆管外在影響因素。

(4)運行負荷變化、吹灰器頻率及壓力等，是造成爆管的另一外在因素。

3.2 建議

(1)加大管子的入廠驗收力度，杜絕組織、性能不合格管子在現場使用。

(2)加大現場管子安裝質量的檢測力度，采用靈敏度較高的方式檢測，盡可能發現管子對接接頭性能及使用缺陷。

(3)嚴格控制吹灰壓力及頻率，避免吹灰過頻、壓力過大、負荷變化劇烈等原因對受熱面管子的不良影響。

(4)加強現場管子焊接監督力度，提高焊接質量，在保證焊接質量的前提下，盡可能選用小規范參數施焊，焊接完成后應嚴格做自檢、專檢，杜絕將焊接頭質量的缺陷帶入運行中。

參考文獻：

[1]火力發電廠焊接技術規程：DL/T 869—2012[S].

[2]火力發電廠金屬技術監督規程：DL/T 438—2016[S].

[3]高壓鍋爐用無縫鋼管：GB 5310—2008[S].

[4]康煜平.金屬固態相變及應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[5]承壓設備無損檢測 第2部分:射線檢測：NB/T 47013.2—2015[S].