H型鰭片式省煤器泄漏失效分析

王云

中國能源建設(shè)集團山西電力建設(shè)有限公司，山西太原，030031

0 引言

H型鰭片式省煤器在保持工質(zhì)吸熱量不變的前提下，可增大橫向節(jié)距，降低煙速，在同一空間可布置較多的受熱面，使工質(zhì)的吸熱量增加，以達到降低排煙溫度、提高鍋爐效率的目的[1]。省煤器常見的泄漏原因有原始缺陷、氫腐蝕、垢下腐蝕、氧腐蝕等，關(guān)于省煤器等四管泄漏原因的研究一直以來備受重視[2]。某電站鍋爐運行中發(fā)生H型鰭片式省煤器鰭片端部開裂，泄漏失效事故。本文對開裂的省煤器鰭片端裂紋進行宏觀檢測及金相檢測，對管材進行化學(xué)成分分析以及力學(xué)性能檢驗，分析研究省煤器鰭片端泄漏失效的原因，避免同類事故的發(fā)生[3]。

1 理化檢測

1.1 宏觀檢測

對送檢的兩根試樣管段外部進行宏觀觀察，可見管段外壁腐蝕嚴重，裂紋在H型鰭片端部，見圖1。

圖1 H型鰭片省煤器樣管外觀（a-c）

對A管裂紋解刨后宏觀觀察，可發(fā)現(xiàn)裂紋周向分布，外壁測量長約15mm，內(nèi)壁測量長約7mm。裂紋形態(tài)曲折，中間部位位移量大于兩側(cè)。裂紋尖端外壁較尖，內(nèi)壁較圓鈍。此外，裂紋開裂面上無嚴重泄漏沖刷痕跡，裂紋附近的外管壁有沖刷減薄。鰭片處焊縫表面有焊接孔洞，見圖2。

圖2 A管裂紋外觀（a-g）

對B管裂紋解刨后宏觀觀察，可發(fā)現(xiàn)裂紋周向分布，外壁測量長約25mm，內(nèi)壁測量長約15mm。裂紋形態(tài)沿焊接鰭片端部略有弧度彎曲，中間部位位移量大于兩側(cè)。裂紋尖端外壁較尖，內(nèi)壁尖度減弱[4]。此外，裂紋開裂面上無嚴重泄漏沖刷痕跡，裂紋附近的外管壁有嚴重沖刷減薄，見圖3。

圖3 B管裂紋外觀（a-e）

裂紋剖開后，兩斷口均銹蝕嚴重，流水沖刷痕跡不顯著。紋理觀察可確定，斷口無明顯塑性變形，為由外而內(nèi)開裂，見圖4。

圖4 裂紋剖開后的斷口（a-b）

1.2 微觀分析

試樣管斷口面被厚厚的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，斷口細節(jié)無法分辨。根據(jù)斷口紋理，可觀察到外壁裂源處斷口起伏大，類似疲勞裂紋的疲勞溝線特征，見圖5a、5b。近內(nèi)壁處較平坦，內(nèi)壁為剪切平面，見圖5c、5d。原始裂紋與人工壓開處裂紋休止線呈光滑曲線狀，見圖5e。人工新開斷口為韌窩，見圖5f。能譜見圖5g。斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析為O、Na、S、P、Si等元素，見表1。

表1 斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析表

圖5 試樣管斷口微觀分析

1.3 化學(xué)成分分析

試樣管化學(xué)成分分析見表2。采用直讀光譜儀進行光譜分析，檢驗結(jié)果表明，試樣管化學(xué)成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》表7對20G材質(zhì)元素含量的要求。

表2 省煤器試樣管化學(xué)成分表

1.4 力學(xué)性能測試

1.4.1 拉伸試驗

對管件向火面（A1-A4）、背火面（B1-B4），各取4根試樣進行拉伸試驗，結(jié)果見表3。拉伸試驗結(jié)果表明，符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》表7對20G的要求。

表3 試樣管拉伸試驗結(jié)果

1.4.2 硬度檢驗

環(huán)狀試樣進行顯微維氏硬度檢驗，檢驗結(jié)果見表4。試驗結(jié)果表明，硬度符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》表7對20G的要求。

表4 試樣管維氏硬度值

1.4.3 尺寸測量

對試樣進行尺寸測量，結(jié)果見表5。測量結(jié)果表明，省煤器管已經(jīng)減薄，可能導(dǎo)致減薄的原因有內(nèi)部沖刷和外部煙氣沖刷。

表5 試樣管外觀尺寸

1.5 金相檢測

依據(jù)DL/T 674-1999，對試樣管向火面、背火面，進行組織評定。顯示球化級別：1.5級，組織特征：珠光體中的碳化物部分開始分散，珠光體形態(tài)明顯，見圖6。

圖6 試樣管斷口金相圖樣（a-b）

鰭片與省煤器管角焊縫有多處孔洞、夾渣等缺陷，焊縫組織呈粗大柱狀晶排布，見圖7。

圖7 試樣管鰭片角焊縫金相圖樣（a-f）

垂直人工剖開斷口，試樣鑲嵌后觀察，斷口旁無夾雜物，無微裂紋。試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，裂源尖端材料損傷，殘留部位未發(fā)現(xiàn)焊接熱影響組織。斷口面穿晶擴展，斷面平齊，見圖8。

2 分析與討論

2.1 材質(zhì)方面

試樣管材質(zhì)所含元素符合20G材質(zhì)范圍要求；力學(xué)拉伸性能合格、硬度合格；金相組織球化級別為1.5級，合格。鰭片焊接質(zhì)量差，夾渣、孔洞類缺陷多。焊接組織粗大，熱影響區(qū)范圍較寬，焊接熱輸入量偏大。

2.2 裂紋分析

裂紋位于焊接鰭片端部，為由外壁向內(nèi)壁開裂。裂紋中間開口較寬，兩端尖細，說明在裂紋擴展過程中，省煤器管持續(xù)受到張開型拉應(yīng)力；打開裂紋后的斷口無宏觀塑性變形；微觀觀察，裂紋旁無夾雜物、無微裂紋，呈穿晶擴展。斷口腐蝕產(chǎn)物為O、S、Cl、Pb等元素，為裂紋開裂后，煙道中煙氣進入所致。這一系列特征可以排除夾雜物等純冶金缺陷或腐蝕疲勞開裂，可以確定開裂模式只有脆性開裂或機械疲勞兩種模式[5]。

2.3 服役及應(yīng)力分析

省煤器管采用懸吊結(jié)構(gòu)，且每兩根采用鰭片焊接相連，裂紋開裂位置正是位于焊接端部區(qū)域。當(dāng)兩根管因熱膨脹不同而存在收縮變形差異時，此處恰好是宏觀應(yīng)力集中區(qū)域，同時此處也是焊接殘余應(yīng)力較高的區(qū)域。省煤器管服役過程中，多次性地頻發(fā)此種泄漏事故，說明存在一定共性的原因。

3 結(jié)語

省煤器管鰭片端部裂紋系應(yīng)力偏大引起的脆性開裂或機械疲勞開裂。應(yīng)力偏大系此處結(jié)構(gòu)設(shè)計方面為宏觀應(yīng)力集中區(qū)域，疊加焊接殘余應(yīng)力等綜合因素導(dǎo)致。建議優(yōu)化省煤器管固定結(jié)構(gòu)；焊接時合理控制焊接熱輸入量，嚴格控制焊接條件，提高焊接質(zhì)量。