余熱鍋爐汽包下降管接管座母材開裂原因分析

劉磊，雷恒海，劉玉華

深圳能源集團股份有限公司東部電廠 廣東深圳 518120

1 序言

深圳能源集團股份有限公司東部電廠3臺機組余熱鍋爐型號均為NG-M701F-R，由杭州鍋爐廠制造。該余熱鍋爐為三壓、再熱、臥式、無補燃、自然循環燃機余熱鍋爐。主要由進口煙道、鍋爐本體（本體受熱面和鋼架護板）、出口煙道、主煙囪、高中低壓鍋筒、管道、平臺扶梯等部件，以及給水泵、排污器等輔機組成。鍋爐本體受熱面采用N/E標準設計模塊結構，由垂直布置的順列螺旋鰭管和進出口集箱組成。

高壓汽包設計溫度為329 ℃，設計壓力為12.07MPa，筒體與封頭材質均為SA 516 Gr70，筒身尺寸ID1900mm×105mm，封頭尺寸Rin（內徑）=973.75mm，t=54mm。高壓汽包共2個下降管，分布在汽包兩端，接管座材質為SA 105，具體尺寸如圖1所示。

圖1 接管座尺寸

1#機組于2021年2月檢修，通過磁粉、滲透檢測，發現高壓汽包固定端下降管接管座變徑薄壁位置存在多處細小裂紋，如圖2所示。為分析開裂原因，通過對變徑薄壁位置進行取樣，查閱高壓汽包現場安裝制造、運行記錄，對1#機組高壓汽包下降管接管座變徑薄壁位置開裂進行失效分析，以確定開裂原因。

圖2 細小裂紋形貌

2 理化檢驗

2.1 化學成分分析

對下降管接管座變徑薄壁位置母材進行化學成分分析，其結果見表1。表1中同時列出了ASME SA 105：2015《管道元件用碳鋼鍛件》中對下降管母材的化學成分實測值及標準要求。

表1 化學成分分析結果及標準要求（質量分數） （%）

2.2 力學性能試驗

依據GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對下降管接管座變徑薄壁位置母材進行拉伸性能試驗，結果見表2。由表2可知，其中2件試樣不符合標準要求。

表2 拉伸試驗結果

依據GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對下降管接管座變徑薄壁位置縱向母材在0℃及室溫下的沖擊性能進行試驗，結果見表3。ASME SA 105：2015《管道元件用碳鋼鍛件》未對沖擊性能具體數值作規定。

表3 沖擊試驗結果

依據GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對下降管接管座變徑薄壁位置母材進行布氏硬度試驗，結果見表4，均符合標準要求。

表4 布氏硬度試驗結果 （HBW）

2.3 微觀組織觀察

對下降管接管座變徑薄壁位置母材外壁縱向位置取樣進行微觀組織分析。如圖3所示，微觀組織為珠光體+鐵素體+魏氏組織（F+P+W），晶粒度5～6級，參照GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》對魏氏組織進行評級，為2級，呈現個別針狀組織區。在試樣中發現裂紋長約3.2mm，裂紋張口細小，無尖端，在晶界內細小分布，裂紋均穿過珠光體、鐵素體晶界內。

圖3 金相組織與裂紋形貌

2.4 非金屬夾雜物

參照GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對2個金相試樣進行非金屬夾雜物檢測，要求D類夾雜不大于2.5級。如圖4所示，試樣1非金屬D類夾雜物為3級，不合格；試樣2非金屬D類夾雜物為2.5級，合格。

圖4 夾雜物檢測

2.5 掃描電鏡觀察

拉伸斷口形貌如圖5所示。由圖5可知，拉伸斷口表面可見大量孔洞與細小裂紋，在擴展區內也可見大量孔洞和微裂紋，試樣邊緣存在大量的孔洞和夾雜，拉伸過程中基體與孔洞/夾雜物剝離，形成微小裂紋并擴展，最終成為剝落的小圓坑，因此在拉伸過程中，因大量孔洞/夾雜物的存在而造成界面剝離形成裂紋，在拉伸載荷作用下，塑性變形與裂紋擴展同時進行，導致材料強度和塑性都很低。

圖5 拉伸斷口形貌

沖擊斷口形貌如圖6所示。由圖6可知，在起裂區觀察到孔洞、微裂紋和分割臺階，在沖擊斷口上可觀察到大量的解理臺階和二次裂紋和孔洞，很多二次裂紋是由斷口表面向內部擴展的裂紋，在斷口上呈斷續分布，二次裂紋與擴展方向保持平行，在斷口上顯示出形態不一的微裂紋。

圖6 沖擊斷口形貌

3 分析與討論

通過化學成分分析、力學性能檢測、微觀組織觀察及電鏡分析等方法，可得出以下結論。

1）下降管接管座母材化學成分、硬度符合ASME SA 105：2015《管道元件用碳鋼鍛件》與設計要求。

2）2個試樣的抗拉強度低于標準要求，其余試樣抗拉強度接近標準要求下限。

3）ASME SA 105：2015《管道元件用碳鋼鍛件》未規定需做沖擊性能檢測，參考GB/T 5310—2017中材質20G、在室溫下縱向沖擊吸收能量≥27J；NB/T 47008—2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》中鍛件20、在0℃下沖擊吸收能量≥34J，現有下降管接管座母材的實際沖擊吸收能量遠低于上述參考標準要求。

4）ASME SA 105：2015《管道元件用碳鋼鍛件》未規定微觀組織要求，參考GB/T 5310—2017中材質20G金相組織要求：鐵素體+珠光體，晶粒度4～10級，級差不超過3級。試樣微觀組織為珠光體+鐵素體+魏氏組織（F+P+W），晶粒度5～6級，魏氏組織為2級：由晶界鐵素體網向晶內生長的針狀組織。

5）ASME SA 105：2015《管道元件用碳鋼鍛件》未規定非金屬夾雜物要求，參照GB/T 5310—2017對非金屬夾雜物檢測要求，要求D類夾雜不大于2.5級，其中試樣1的D類夾雜為3級，試樣2的D類夾雜為2.5級。

6）通過掃描電鏡對沖擊、拉伸斷口進行觀察：存在大量的解理臺階、裂紋與孔洞，斷口為脆性斷口。

通過上述分析，魏氏組織[1，2]是由于過熱造成晶粒粗大、且在一定的冷卻溫度下形成的，汽包接管座服役的溫度與壓力不會對接管座母材產生過熱作用，因此可認為該接管座是在制造過程中因熱處理溫度過高而造成晶粒粗大，在冷卻過程中生成魏氏組織，造成管座力學性能下降，尤其是沖擊性能下降為甚[3]。

非金屬夾雜物的過多存在[4，5]，會導致局部應力應變集中，在長期的頻繁啟停作用下[6，7]，進而導致裂紋的萌生和更易擴展，導致接管座母材內部存在微裂紋等缺陷，降低力學性能。

4 結束語

汽包下降管接管座母材開裂原因是微觀組織存在魏氏組織、非金屬夾雜物過多造成性能下降，受長期頻繁啟停的熱疲勞作用[7]，在接管座應力集中位置，即接管座變徑薄壁位置開裂。

建議對仍在服役的接管座（部分）進行運行監督，擇機進行全面的監督檢查，如無損檢測、金相硬度檢測，提前制定接管座更換計劃，包括采購計劃、更換方式、焊接結構改變等，以備檢修發現下降管存在重大缺陷且無法修復等情況。