電站鍋爐高溫再熱器管失效分析

天津軍糧城發電有限公司 天津 300300

一、概況

電站鍋爐再熱器再熱器承擔著將來自汽輪機高壓缸做過功的二次蒸汽,排回到鍋爐進行再次加熱,使之成為具有與過熱蒸汽相同溫度的再熱蒸汽,然后在送入汽輪機中低壓缸再次做功,降低汽輪機末級葉片蒸汽濕度,提高效率的作用。再熱器工作在最高的溫度區域,是鍋爐受熱面工作條件最為惡劣的部件。與過熱器相比,由于再熱器中的工質,壓力低、流速低、密度小,過熱蒸汽換熱系數小,冷卻管子的能力差,同時,由于是二次蒸汽,因此鍋爐啟動過程中,再熱器管存在“干燒”現象,管壁更容易超溫。

某電廠＃2鍋爐,累計運行53685小時,鍋爐為670/H型鍋爐,主要額定參數:再熱蒸汽出口壓力2．27Mpa,溫度540℃,再熱蒸汽流量581．9噸。

該爐高溫再熱器管在運行過程中發生爆管泄漏,爆口部位為高再44－2－B2000,爆口管段設計鋼材為12Cr2MoWVTiB,規格Φ42×3．5。

二、試驗

(1)宏觀檢驗。爆管泄漏部位宏觀照片如圖一所示,爆口長度約67mm,開口尺寸為最大為6mm,觀察爆口附近外表面氧化、燒損嚴重,外壁氧化層最厚處達2mm,呈深灰色,爆口粗糙邊緣無明顯減薄,爆口部位管段脹粗不明顯,爆口程脆性爆口特征,爆口兩側見縱向開裂裂紋。

觀察取樣部位管段橫斷面照片如圖二所示,經測量管壁金屬厚度,向火側最薄約為1mm;最厚出約為2．4 mm,內壁氧化物厚度為1．5～2．4mm,并分為顏色不通的兩層。

對爆管管段下彎頭割管后發現,彎頭部位有大量氧化物等渣滓堵在彎頭處。

(2)金相力學性能。在取樣管段位置2處截取圓環試樣(見圖三),經4%硝酸酒精侵蝕,觀察金相顯微組織,在400倍顯微鏡下觀察,金相組織為貝氏體組織形態,但在晶內和晶界析出大量碳化物,晶界碳化物已形成鏈狀。金相照片見圖四。由于管壁厚度太薄,無法進行力學性能試驗。

(4)材質復驗。對主爆口管段爆口附近部位1點進行光譜定性分析,發現主爆口管材含有Cr、Mo、V、W、Ti元素,與管材實際材質12Cr2MoWVTiB相符。

(5)能譜分析。對高再主爆口管段取樣部位3作能譜分析,基體碳化物能譜圖如能譜圖一,管內壁外層氧化物能譜圖如圖二,管內壁內層氧化物如圖三;對基體組織、內壁內層氧化物、內壁外層氧化物、基體組織中碳化物進行能譜分析,電鏡照片見圖一～圖三。

基體組織成分符合12Cr2MoWVTiB鋼化學成分,基體組織中碳化物成分中 Cr占5．91%、W 占5．53%、Mo占3．38%、V占0．46%、Fe占84．72%,表明合金元素已向碳化物中聚集及析出。內壁外層氧化物能譜分析結果顯示:其成分幾乎都為Fe元素。內壁內層氧化物能譜分析結果顯示:其成分為:Cr占4．63%、W 占11．58%、Mo占4．08%、V占0．75%、Fe占78．96%。

三、分析及結論

由金相組織和電鏡照片可以看出,基體金相組織為貝氏體組織形態,但在晶內和晶界析出大量碳化物,并且晶界碳化物已形成鏈狀。機理上這些鏈狀碳化物在晶界聚集,產生低應力蠕變,在晶界產生蠕變空洞,孔洞在應力作用下繼續增多、長大、聚合,形成微裂紋,不斷的連通擴展,最后發生開裂。同時管壁在高溫蒸汽作用下,外層生成以Fe3O4和少量Fe2O3組成的氧化皮,內層生產致密的Fe、Cr、W、Mo等尖晶石氧化物,并導致有效金屬壁厚不斷減薄,使得管壁應力的增大進一步促使蠕變開裂。

由于再熱器管內壓力低、流速小,過熱蒸汽換熱系數小,冷卻管子的能力差,而彎頭處氧化物等渣滓堆積,造成流通面積進一步變小,蒸汽冷卻管壁能力急劇惡化,造成管段局部溫升過高,造成管壁長時間過熱氧化,造成管子蠕變失效,最終導致爆管泄漏。