鍋爐主蒸汽流量變送器接頭斷裂失效分析

胡美些，張艷飛

（1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

在火電廠單元機(jī)組運(yùn)行管理工作中，主蒸汽流量作為系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一，決定著滑壓曲線的變化趨勢，影響著主蒸汽閥門的開度，對機(jī)組運(yùn)行狀況、性能監(jiān)測、過程控制起著至關(guān)重要的作用。主蒸汽流量一般多采用差壓式流量計來測量，該流量計一般由流量孔板、一次閥門、引壓管路、二次閥門、排污閥門、平衡門和差壓變送器組成[1-2]。流量變送器一旦出現(xiàn)故障，將嚴(yán)重影響整個機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。某火電機(jī)組在運(yùn)行過程中發(fā)生了主蒸汽流量變送器接頭斷裂故障，這是變送器運(yùn)行過程中不常見的故障[3]。

為避免同類問題的出現(xiàn)，保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行，本文通過化學(xué)成分檢測、金相組織檢驗、斷口微區(qū)檢測等方法對變送器斷裂原因進(jìn)行研究并提出可行的建議。

1 故障情況

該電廠鍋爐正常運(yùn)行時各項參數(shù)如下：主汽流量為415 t/h，汽包壓力為10.55 MPa，主汽壓力為9.7 MPa，主汽溫度為533 ℃，給水流量為415 t/h，給水溫度為219 ℃，給水壓力為14.6 MPa。運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)主汽流量偏小，就地檢查發(fā)現(xiàn)主汽流量變送器處漏氣，辦理工作票，解除給水自動，運(yùn)行做措施關(guān)閉主汽流量變送器正壓側(cè)一次門，關(guān)閉負(fù)壓側(cè)一次門，在關(guān)門過程中發(fā)現(xiàn)儀表燒紅，在措施做完后檢查發(fā)現(xiàn)變送器已經(jīng)燒壞，M18的變送器接頭斷裂。斷口整體呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂形貌，無明顯塑性變形，斷口齊平且光亮，與正應(yīng)力相互垂直，斷口附近的截面在厚度方向上基本未發(fā)生收縮，整個端面在外觀上呈現(xiàn)顆粒狀，有較為明顯的由內(nèi)而外的徑向放射狀花樣，表明裂紋起源于內(nèi)螺紋處并向外擴(kuò)展，如圖1所示。

圖1 變送器接頭斷口及表面宏觀形貌

2 試驗內(nèi)容及分析

2.1 化學(xué)成分檢測與分析

電廠未提供變送器接頭的詳細(xì)材質(zhì)信息，對變送器接頭取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測數(shù)據(jù)如表1所示。從實測元素含量分析，該合金Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.7%，Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.75%，既不屬于國標(biāo)中304、301等300系奧氏體不銹鋼，也不屬于201、202等200系奧氏體不銹鋼。但是實測的成分中以鉻、錳元素為主，應(yīng)該是幾乎不含鎳的非標(biāo)鉻錳鋼。

表1 主蒸汽流量變送器接頭化學(xué)成分檢測結(jié)果%

2.2 顯微組織檢測與分析

在變送器接頭斷口附近取樣進(jìn)行金相顯微組織檢測，如圖2所示。由圖2（a）可見，變送器接頭的基體組織為伴有大量滑移線和孿晶的奧氏體組織及碳化物析出。標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼按組織分為奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體加鐵素體不銹鋼[4]。本次失效件的組織為奧氏體加碳化物，屬于非典型不銹鋼，這一點(diǎn)也正好和化學(xué)成分檢測結(jié)果相符。

圖2 斷裂變送器接頭各部位組織

由圖2（b）～圖2（d）所示，從斷口處到基體的不同區(qū)域均存在不同程度的晶間腐蝕情況，有的個別區(qū)域已發(fā)生晶粒脫落現(xiàn)象，斷裂是沿著連接松散的晶間腐蝕處開始并逐漸擴(kuò)展的。在試樣邊緣發(fā)現(xiàn)局部存在組織異常區(qū)域，為焊接組織。

2.3 斷口微區(qū)檢測與分析

利用先進(jìn)的掃描電子顯微鏡(SEM)對變送器接頭斷口進(jìn)行微區(qū)觀察。斷口整體呈現(xiàn)沿晶開裂的特征形貌，內(nèi)、外壁邊緣局部區(qū)域均存在不同程度的晶粒脫落現(xiàn)象[5-6]，如圖3所示。

圖3 斷裂變送器接頭斷口形貌

3 試驗結(jié)果

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，變送器接頭實測元素含量中主要元素Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.7%，Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.75%，為Cr-Mn鋼，非Cr-Ni系列奧氏體不銹鋼。Cr-Mn鋼屬于節(jié)鎳奧氏體不銹鋼，因為錳元素和鎳元素一樣，是鋼中奧氏體相形成元素，它會縮小鐵素體相區(qū)，擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，并使奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變低溫移動，但是錳元素的作用強(qiáng)烈程度不如鎳。因此，錳元素一般只能作為合金元素加入到鉻-鎳不銹鋼中。這個系列的鋼很多都是廠家自行開發(fā)，為了降低成本，鎳含量都比較低，導(dǎo)致耐蝕性能下降[7]。本次失效的變送器接頭含鎳量僅有0.08%，含鉻量剛剛超過10.5%，卻不足12%，很明顯是屬于廠家自行開發(fā)的低鉻低鎳的非國標(biāo)鉻錳鋼。可以提高耐蝕性的鉻、鎳元素的含量均較低，而碳含量卻較高，大大增加了碳化鉻在晶界析出的可能，使得晶界形成“貧鉻區(qū)”機(jī)會增多，導(dǎo)致晶間腐蝕產(chǎn)生的傾向增加。變送器接頭本身在整個機(jī)組運(yùn)行過程中要經(jīng)常承受高溫高壓蒸汽的沖擊，還要經(jīng)受電解質(zhì)的電化學(xué)腐蝕，所以在使用一定時間以后，腐蝕逐漸由晶界腐蝕擴(kuò)展到穿晶腐蝕，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度，就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。這一點(diǎn)從本次斷裂的變送器接頭金相組織檢驗、微區(qū)形貌檢測和宏觀形貌檢測中也得到了驗證。

4 結(jié)語

1）綜合以上分析認(rèn)為，本次鍋爐主蒸汽流量變送器接頭斷裂的原因是變送器接頭所用材料中Cr元素含量遠(yuǎn)低于奧氏體不銹鋼對Cr含量的要求，而Ni含量又極低，C含量較高，當(dāng)材料長期在高溫運(yùn)行過程中與電解質(zhì)的電化學(xué)腐蝕環(huán)境相接觸時在晶界處形成貧Cr區(qū)而發(fā)生的嚴(yán)重的晶間腐蝕而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕斷裂。

2）首先應(yīng)選用符合標(biāo)準(zhǔn)要求的、穩(wěn)定性較強(qiáng)的奧氏體不銹鋼或奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼制造變送器接頭；其次，生產(chǎn)廠家要加強(qiáng)質(zhì)量管理和監(jiān)控，加強(qiáng)對出廠產(chǎn)品的檢驗與驗收，防止不合格品在電廠零部件上使用。最后應(yīng)避免接觸電解質(zhì)的電化學(xué)腐蝕環(huán)境，避免再次出現(xiàn)類似斷裂失效事件。