某余熱發電鍋爐低溫過熱器連接彎頭開裂原因

馬芹征

(蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004)

近年來，隨著中國經濟的快速發展，國內能源消耗逐步上升，在化工、建材等諸多領域產生了大量的廢熱資源，造成了嚴重的資源浪費。余熱發電技術是一種將生產過程中產生的余熱回收利用，并轉化為電能的技術。余熱發電不僅能節約能源，還有利于環境保護，是國家實行節能減排的重要技術措施[1-2]。余熱發電鍋爐是余熱發電系統中重要的組成部分，余熱發電鍋爐及其附屬設備的正常運行對整個余熱發電系統的循環工作起到至關重要的作用。

某建材公司水泥窯生產線余熱發電鍋爐配套了一臺9 MW的低參數混壓純凝氣式汽輪發電機組，鍋爐安裝并煮爐完成后投入試運行，僅運行三個月后，發現余熱發電鍋爐低溫過熱器出口集箱連接彎頭及附近多個部件出現開裂。依據GB/T 3087-2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》標準，集箱及周邊管件采用的材料均為20號鋼。為查找連接彎頭及附近部件的開裂原因，避免該類問題的再次發生，筆者對一處裂紋較多的連接彎頭進行了一系列檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

如圖1所示：連接彎頭母材外表面和內表面均有多條較長的裂紋，裂紋主要位于焊縫附近及彎頭母材處分布較為曲折，但大致平行于焊縫且呈環狀分布；彎頭外表面焊縫處有大塊補焊痕跡，補焊處也有較長的裂紋；可見裂紋萌生于彎頭側母材內表面，并由彎頭內表面向外表面擴展。

圖1 開裂連接彎頭不同位置的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在開裂連接彎頭裂紋附近彎頭側母材處截取試樣，對其進行化學成分分析。如表1所示，彎頭母材的化學成分均符合標準GB/T 3087-2008對20號鋼的技術要求。

表1 開裂連接彎頭裂紋附近彎頭側母材的化學成分

1.3 硬度測試

GB/T 3087-2008標準僅對20號鋼的拉伸性能做出規定，但開裂連接彎頭壁厚較薄，不易截取拉伸試樣。因此，對開裂連接彎頭的焊縫、彎頭側母材和集箱側母材進行硬度測試，依據GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》，將硬度換算成抗拉強度。如表2所示，連接彎頭的焊縫、彎頭側母材、集箱側母材的硬度相差較小，換算成的焊縫和彎頭側母材的抗拉強度分別為520 MPa和491 MPa，該結果符合GB/T 3087-2008標準對20號鋼抗拉強度的技術要求(410～550 MPa)。

表2 開裂連接彎頭焊縫、彎頭側母材和集箱側母材硬度

1.4 金相檢驗

在開裂連接彎頭的焊接接頭處截取試樣，對其內表面進行顯微組織觀察。如圖2所示：開裂連接彎頭焊縫兩側母材的組織均為鐵素體+珠光體，彎頭側母材的珠光體組織較為細小，鐵素體發生了輕微的拉長變形；集箱側母材的鐵素體呈等軸狀；彎頭側熔合區及焊縫未見明顯氣孔、夾渣、熱裂紋等焊接缺陷；彎頭側熱影響區晶粒較粗大，可見少量魏氏組織。

圖2 開裂連接彎頭不同位置的顯微組織

如圖3所示：焊接接頭母材內表面裂紋擴展路徑較曲折，主裂紋邊緣有較多二次裂紋，裂紋均沿晶界擴展；焊縫處裂紋呈曲折狀，主裂紋邊緣有較多沿晶界擴展的二次裂紋。

圖3 開裂連接彎頭不同位置的裂紋微觀形貌

1.5 能譜分析

將開裂連接彎頭沿裂紋斷開后，對其斷口進行能譜分析。如圖4所示，斷口表面主要成分為鐵的氧化物，且含一定量的鈉和磷元素。

圖4 開裂連接彎頭沿裂紋斷開后斷口表面的能譜分析結果

2 分析與討論

彎頭側母材的化學成分符合GB/T 3087-2008標準中對20號鋼的技術要求，焊縫與其兩側母材的硬度都較為均勻，通過硬度換算成的抗拉強度符合GB/T 3087-2008標準對20號鋼的技術要求，開裂連接彎頭的顯微組織也未見明顯異常。綜上所述，連接彎頭開裂與其材料無關，大部分裂紋均位于補焊處彎頭側母材，無補焊處彎頭側母材也有較長的裂紋，因此可排除彎頭開裂與其外表面補焊有關。

通過金相檢驗結果可知，起裂位置在彎頭側母材內表面，并向外表面擴展，焊縫內表面及彎頭側母材區域的主裂紋邊緣均有較多的二次裂紋，裂紋均沿晶界擴展，這與碳鋼和低合金鋼“堿脆”裂紋的典型特征相一致[3-5]。通過能譜分析可知，將連接彎頭沿裂紋斷開后，發現其斷口表面存在一定含量的鈉和磷元素，在鍋爐試運行前，需使用氫氧化鈉和磷酸三鈉進行煮爐，由此得知，鈉和磷元素可能來源于煮爐過程中加入的堿液。

常溫環境中，碳鋼與堿液(NaOH)反應生成的腐蝕產物[Fe(OH)3]在堿液中的溶解度很低[6]，能牢固覆蓋在碳鋼表面，從而避免碳鋼被進一步腐蝕。在較高溫度和一定應力的共同作用下，碳鋼或低合金鋼在堿液中會發生應力腐蝕開裂，這種應力腐蝕開裂稱為堿脆開裂，即苛性脆化。堿脆是一種特殊的電化學腐蝕，其反應方程式如式(1)所示[7-8]。

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

(1)

該腐蝕過程一般發生在金屬表面應力集中處或發生電化學腐蝕的溝槽處，溶液沿氧化膜裂縫處進入內部與金屬基體發生反應，在氧化膜破損處重新形成Fe3O4氧化膜，氧化膜在應力作用下發生破損，如此往復，該過程使應力腐蝕裂紋不斷擴展。同時，裂紋兩側金屬晶粒內部和晶界存在一定的電位差，晶界電位比晶粒內部電位低得多，從而使晶界作為陽極進一步被氧化，這也促進了裂紋的擴展。

碳鋼和低合金鋼發生堿脆開裂，必須滿足的3個基本條件，即較高濃度的NaOH溶液、一定的拉伸應力和較高的溫度[9-10]。一般認為，堿脆開裂在溶液沸點附近時最容易發生，溫度低于46 ℃時一般不發生[11-14]。溶液中的NaOH濃度很低時，在高溫環境中，NaOH可能會在縫隙或粗糙的金屬表面聚集、濃縮，增大了材料的堿脆開裂敏感性。

該連接彎頭發生應力堿脆開裂是在鍋爐煮爐過程中堿液進入過熱器導致的。在煮爐過程中，堿液進入過熱器，在較高煮爐溫度以及管道自重、汽水振動、熱應力和結構應力等多種應力的共同作用下，連接彎頭焊縫處發生堿脆開裂。

3 結論及建議

(1) 余熱發電鍋爐低溫過熱器出口集箱連接彎頭的開裂原因是鍋爐安裝后的煮爐過程中，堿液進入了過熱器內部，在連接彎頭內表面縫隙處聚集、濃縮，在較高的溫度以及管道自重、汽水振動、熱應力和結構應力等多種應力的共同作用下，連接彎頭焊縫處發生堿脆開裂。

(2) 根據堿液進入過熱器后的流動方向，在該開裂連接彎頭附近管段進行超聲波、射線檢測，檢查存在裂紋的區域，并對存在裂紋的管段進行更換，避免裂紋在后續鍋爐運行過程中發生擴展，引起管子開裂。此外，根據裂紋存在區域的大小，對開裂連接彎頭附近管段內壁進行沖洗，以降低管段內壁的堿含量。