某分隔屏過熱器換位彎內弧外表面裂紋的產生原因

張 斌,李 玲,彭 波,王 云,董 彬,3,王 靜

(1. 北京華科同和科技有限公司,北京 102200; 2. 華北電力科學研究院有限責任公司,北京 100045;3. 北京盛凌電力科技有限公司,北京 102206)

燃煤發電機組在運行時,具有承壓部件低周疲勞、水動力不穩定、燃燒不穩定等問題[1-2]。目前,鍋爐管的熱疲勞損壞現象日益增多,可大致分為三類:煙氣側腐蝕性熱疲勞、水側熱疲勞和拉裂,其中煙氣側腐蝕性熱疲勞常見于水冷壁管和過熱器管[3]。

過熱器將蒸發系統產生的飽和蒸汽加熱成為具有一定溫度和壓力的過飽和蒸汽,以增加蒸汽的焓值,提高蒸汽的做功能力。過熱器所在服役環境的溫度和壓力都很高,且對熱偏差較敏感,是受熱面中工作條件較惡劣的部件,失效概率也高于其他受熱構件。過熱器大致可分為低溫過熱器、分隔屏過熱器、后屏過熱器和末級(高溫)過熱器[4]。

某火電廠1號機組為600 MW亞臨界機組,其鍋爐為SG2025/17.5-M915型汽包爐。分隔屏過熱器位于爐膛前上方,不僅可以吸收爐膛上部的煙氣輻射熱,降低爐膛出口煙溫,還能分隔煙氣流,降低爐膛出口煙溫偏差。分隔屏過熱器沿爐寬方向分布6大片,橫向平均節距為3 048 mm,每大片又分成了6小片,每小片由10根并聯套管組成,管子外徑為57 mm,材料除外三圈底部采用SA213-TP347H鋼外,其余均為12Cr1MoVG和15CrMoG鋼。

1號機組于2008年投產,在2013年進行了低氮燃燒器改造。改造后的機組參與了電網調頻及調峰輔助服務,運行期間的負荷變化較大。在近期的防磨防爆檢查中,檢查人員發現多根分隔屏過熱器管換位彎內弧外表面存在裂紋。裂紋大多出現在出口段位置(標高56 m),見圖1。發現裂紋時,機組已運行逾7萬h。分隔屏過熱器裂紋管采用12Cr1MoVG鋼,尺寸為φ57 mm×6.5 mm,設計溫度為455 ℃。

圖1 裂紋管的現場情況Fig. 1 On site situation of cracked pipes

筆者對1號爐前分隔屏過熱器第3大屏第3小屏第11根(標高56 m)裂紋管取樣,對裂紋產生的原因進行了分析,并提出相應的預防措施,以期防止類似事故的再次發生,降低鍋爐強迫停運的機率,提高鍋爐安全、穩定、經濟運行。

1 試驗

1.1 試樣

對分隔屏過熱器裂紋管(簡稱裂紋管)換位彎內弧外表面150 mm×50 mm區域進行打磨,使之露出金屬光澤;在裂紋集中區域截取長度約30 mm的管段,沿軸線對稱剖開,標記為試樣A;依據標準GB/T 228.1-2021《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》從裂紋管直管段取3個寬度b0=15 mm,標距L0=60 mm的縱向弧形試樣,依次標記為L1～L3。

1.2 試驗方法

(1) 宏觀檢查:在裂紋管換位彎內弧外表面150 mm×50 mm區域進行滲透檢測,觀察分隔屏過熱器外觀、試樣A的縱截面及滲透區域管段外表面形貌,初步判斷裂紋的分布情況及其擴展路徑。

(2) 化學成分分析:采用Oxford FM Pro型臺式光譜分析儀對試樣A進行化學成分檢測,分析裂紋管的主要化學元素含量。

(3) 力學性能檢驗:利用三思CMT5305電子萬能試驗機,在室溫環境中對L1～L3試樣進行拉伸試驗,獲取裂紋管在室溫狀態下的各項力學性能。

(4) 金相組織檢驗:將試樣A橫截面和縱截面依次進行研磨、化學拋光后采用4%(體積分數)硝酸酒精浸蝕,清洗吹干后,采用Leica DMI8A型金相顯微鏡觀察裂紋形貌及顯微組織。

(5) 掃描電鏡及能譜分析:將試樣A放入丙酮溶液中超聲波清洗,采用OXFORD型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察裂紋微觀形貌,利用能譜儀(EDS)分析裂紋中產物成分。

2 結果與討論

2.1 宏觀檢查

由圖2可見:裂紋管外壁較光滑,氧化皮較薄,管徑無明顯脹粗;滲透檢測發現橫向平行裂紋與管材軸向夾角接近90°,裂紋最長約為10 mm;肉眼觀察可見裂紋沿壁厚方向垂直于管壁由外向內擴展。

(a) 取樣管宏觀形貌

(b) 滲透檢測后裂紋形貌 (c) 試樣A縱截面裂紋形貌 圖2 裂紋管的宏觀檢查結果Fig. 2 Macro examination results of cracked tube: (a) macro-morphology; (b) results of penetration testing; (c) cross-section morphology of cracks

2.2 化學成分

裂紋管材質為12Cr1MoVG鋼,由表1可知,裂紋管主要合金元素含量均符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準要求。

表1 裂紋管(試樣A)的化學成分Tab. 1 Chemical composition of cracked tube (specimen A) %

2.3 力學性能

由表2可知,裂紋管的抗拉強度、斷后伸長率及規定塑性延伸強度均符合GB/T 5310-2017標準要求。

表2 試樣的室溫拉伸試驗結果Tab. 2 Room temperature tensile test results of samples

2.4 顯微組織

由圖3可見:裂紋管的顯微組織為鐵素體+貝氏體,且貝氏體為粒狀、無方向性,晶界上出現粒狀碳化物,根據DL/T 773-2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》,評級為球化2.5級。觀察外表面的最長裂紋發現,其附近母材的顯微組織正常,裂紋深度約為0.63 mm,開口較大,擴展過程中有開裂、增寬的特征,內部有氧化或腐蝕產物,尖端呈圓鈍且分叉的微觀形貌,在最大裂紋附近可見兩條微裂紋,尖端呈尖銳和圓鈍不一的微觀形貌,裂紋擴展路徑均以穿晶擴展為主;內表面脫碳層深度約為0.25 mm,外表面脫碳層深度約為0.21 mm。

(a) 顯微組織 (b) 外表面裂紋

(c) 內表面脫碳層 (d) 外表面脫碳層圖3 試樣A的微觀形貌Fig. 3 Micro morphology of sample A: (a) microstructure; (b) external surface cracks; (c) inner decarburizing layer; (d) external decarburizing layer

2.5 SEM/EDS

采用SEM觀察圖3(b)中最大裂紋,發現裂紋存在較明顯的腐蝕痕跡,裂紋中部分產物已剝落;EDS結果表明裂紋中的產物主要為Fe的氧化物和硫化物;其中S元素具有腐蝕性,是腐蝕的主要原因,見圖4。

(a) 最大裂紋SEM形貌

(b) 產物EDS分析結果圖4 最大裂紋的SEM形貌及EDS分析結果Fig. 4 SEM morphology (a) and EDS analysis results (b) of the largest crack

2.6 討論

裂紋管的化學成分符合標準要求,且力學性能良好。裂紋管外壁較光滑,氧化皮較薄,管徑無明顯脹粗;顯微組織為鐵素體+貝氏體,球化2.5級,為正常服役現象。基本可排除裂紋管超溫運行的可能性。

裂紋管的裂紋呈橫向平行分布,與管材軸向夾角接近90°,由外壁向內壁垂直擴展,具有熱疲勞的宏觀特征。最大裂紋開口較大,擴展過程中有開裂、增寬的特征,內部充有氧化或腐蝕產物,最大裂紋附近兩條微裂紋尖端呈現尖銳和圓鈍不一的微觀形貌,它們均以穿晶擴展為主,具有熱疲勞裂紋的微觀特征。且最大裂紋中產物高含S元素,由此判斷,裂紋擴展過程受腐蝕性S元素影響。綜上,判定裂紋性質為腐蝕性熱疲勞裂紋[5]。

裂紋管內外表面存在脫碳層。脫碳會使材料表面滲碳體減少,表面金屬因缺碳變成鐵素體,導致表面脫碳層強度明顯降低,為裂紋擴展提供了有利條件[6];脫碳層的存在還會使材料的熱疲勞性能下降[7]。

對脫碳層產生原因及環節進行分析,脫碳的實質是鋼材在加熱時表面碳含量降低。高溫加熱時鋼材表面會發生氧化、脫碳現象。從擴散作用角度分析,在高溫環境中一方面氧向鋼內擴散,另一方面鋼中的碳向外擴散,脫碳層只有在脫碳速度超過氧化速度時才能形成;氧化反應通常在525 ℃以上發生,它低于脫碳溫度,脫碳層的形成需要溫度和時間,一般鋼在670 ℃才會有明顯的脫碳[8]。從化學反應角度分析,脫碳可以是高溫下,鋼中的碳與氧、水蒸氣及二氧化碳等含氧氣體反應產生一氧化碳的過程;也可由氫引起,在臨氫高溫環境中,鋼中的Fe3C與氫還原生成甲烷,產生脫碳[9]。裂紋管已排除超溫運行的可能性,即其運行溫度低于設計溫度(455℃),且不存在產生脫碳層的臨氫高溫環境;由此判斷,裂紋管內外表面脫碳層并非運行過程中產生的,屬于原始制造缺陷。

從機組運行情況分析,機組曾參與電網調頻及調峰輔助服務,運行期間負荷變化較大,因此,引起裂紋管熱裂紋的主要應力來自于鍋爐啟停、調峰等負荷變化過程中溫差產生的循環交變熱應力。從裂紋管服役環境及裂紋分布位置分析,裂紋管位于爐膛前上方,分隔煙氣流,換位彎內弧與煙氣流向大約呈60°,易于接觸煙氣和積存飛灰,因此,S元素主要來源于燃料燃燒煙氣或積存在管壁上的飛灰。

綜合分析,裂紋管熱疲勞裂紋的形成機理為:腐蝕性S元素在分隔屏過熱器換位彎內弧外表面富集濃縮,并腐蝕基體,形成“顯微缺口”,“顯微缺口”的應力集中程度較高,在應力作用下裂紋易于成核進而萌生微裂紋[10];脫碳層的存在,為裂紋擴展提供了有利條件,當熱應力較小時,以S腐蝕為主,此時裂紋擴展較慢,裂紋端部為圓鈍狀;隨著熱應力增大,裂紋快速擴展,裂紋端部呈現尖銳狀;腐蝕性S元素沿管子微裂紋滲入侵蝕基體并在裂紋尖端富集濃縮,加劇微裂紋的擴展,形成“開裂-鈍化-開裂”的擴展形式[11]。

3 結論及建議

分隔屏過熱器管換位彎內弧外表面裂紋產生的原因為:腐蝕性S元素富集濃縮腐蝕分隔屏過熱器管基體,形成“顯微缺口”,萌生微裂紋;外表面脫碳層的存在,為裂紋擴展提供了有利條件,微裂紋在高含S腐蝕環境和熱疲勞循環載荷協同、交互作用下不斷擴展,最終產生腐蝕性熱疲勞裂紋。

鑒于鍋爐分隔屏過熱器運行時間已逾7萬h,建議后續分隔屏過熱器更換時把控原始管材質量;保證燃煤品質,降低服役環境中腐蝕性元素含量;嚴格按規程要求做好啟停機和低負荷運行操作,減少冷熱負荷變化幅度和管排振動等造成的影響;按標準規定進行定期割管檢查,及時發現問題,提出改進措施。