鍋爐再熱器管取樣管座裂紋原因分析及處理

劉立海，楚鵬濤，王東杰，張守鑫

（大唐臨清熱電有限公司 ，山東 聊城 252600）

1 概述

某公司2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程2號鍋爐為SG-1165/25.4-M4420型，是經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐。設(shè)計(jì)最大蒸發(fā)量1 165 t/h，過熱蒸汽壓力25.40 MPa，溫度571℃；再熱器材質(zhì)為 SA335-P91鋼，規(guī)格為D508 mm×22 mm，漏泄處附近集箱管座材質(zhì)為F91，再熱器取樣管SA335-T91鋼，規(guī)格為D32 mm×8 mm。

截至2018年3月5日機(jī)組累計(jì)運(yùn)行5 884.9 h，機(jī)組經(jīng)過9次啟機(jī)10次停機(jī)，鍋爐高溫再熱器出口導(dǎo)管漏泄，漏泄位置為蒸汽取樣管管座25 mm處，長度約30 mm。

鍋爐左右兩側(cè)取樣管安置在水平再熱蒸汽管道頂部，通過變徑垂直向上引出約600 mm，再水平2 500 mm斜向下引至12 m平臺取樣管匯合處，如圖1所示。

圖1 裂紋實(shí)際位置

2 方案選擇

由于處在春節(jié)用電高峰期，加上工業(yè)蒸汽的流量較大，不允許長時間停機(jī)，先采用了加裝臨時密封卡子堵住泄漏點(diǎn)，同步開始研究處理方案。

方案1。停機(jī)后對裂紋進(jìn)行挖補(bǔ)，前提是如果裂紋由管座開始在層間延伸到母管外側(cè)，未達(dá)到母材貫穿性開裂。工期7天可完成。如果停爐后，在挖補(bǔ)過程中發(fā)現(xiàn)母材貫穿性開裂，再繼續(xù)對母管大面積補(bǔ)焊風(fēng)險(xiǎn)較大，工期15天，質(zhì)量難以保證。只能轉(zhuǎn)方案2。

方案2。把帶傷的母管連同取樣管部分整體更換，在鍋爐廠提前把取樣管管座焊接好，再進(jìn)行現(xiàn)場2道D508 mm×22 mm大口焊接，2道D32 mm×8 mm小口焊接，工期質(zhì)量容易把控，工期7天。

由于對裂紋走向及發(fā)展情況不明，對于單純挖補(bǔ)維修經(jīng)過多方考慮，認(rèn)為充滿不確定性，從保障工期及質(zhì)量角度考慮，決定整體更換。停爐后由上海鍋爐廠按照方案2對整體管道進(jìn)行施工，現(xiàn)場施工方案、工藝經(jīng)審核批準(zhǔn)，完成后經(jīng)質(zhì)量驗(yàn)收合格，投入運(yùn)行。

3 漏泄管段試驗(yàn)與分析

3.1 管件外貌

觀察管件內(nèi)壁形貌如圖2所示，管座內(nèi)孔附近蒸汽流向方向存在較多明顯的縱向微裂紋。內(nèi)壁表面有近似橢圓黑色區(qū)域。 打磨微裂紋表面，顯示內(nèi)表面存在網(wǎng)狀裂紋，且裂紋較深，表面打磨一定深度裂紋仍未消除，如圖3所示。

圖2 管道內(nèi)壁

圖3 打磨后管道內(nèi)壁

3.2 管件解剖

對原始管件進(jìn)行解剖分析，即分為金相、斷口觀察區(qū)和性能復(fù)驗(yàn)區(qū)，并對金相、斷口觀察區(qū)進(jìn)行解剖，分割為5塊。黃色線區(qū)域?qū)?yīng)為內(nèi)壁近似橢圓“黑色物質(zhì)”區(qū)域。金相斷口區(qū)域解剖示意如圖4所示，試樣形貌如圖5所示。

圖4 金相斷口區(qū)域解剖示意圖

圖5 試樣形貌

3.3 化學(xué)成分分析

對圖5中2號式樣進(jìn)行金相觀察，并對圖5中2號式樣漏泄裂紋處打開觀察斷口形貌。原材料化學(xué)成分符合文獻(xiàn)［1］的要求，樣管化學(xué)成分如表1所示。

表1 樣管化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

化學(xué)成分 測試值 質(zhì)保書要求值 入廠檢驗(yàn)值 S A 2 1 3-P 9 1 N b 0.0 7 4 0.0 7 0.0 8 7 0.0 6～0.1 0 N 0.0 4 5 0.0 4 7 0.0 6 1 0.0 3～0.0 7 N i 0.1 7 0.1 5 0.1 6 ≤0.4 0 A l <0.0 1 5 0.0 0 9 <0.0 1 5 <0.0 4 0 T i Z r <0.0 1 <0.0 1<0.0 1<0.0 1 0.0 0 1 0.0 0 1<0.0 1<0.0 1

3.4 力學(xué)性能分析

樣管的拉伸性能、硬度滿足文獻(xiàn)［1-3］的要求，原材料拉伸性能、硬度合格，樣管性能如表2所示。樣管沖擊測試值與質(zhì)保書要求值、入廠檢驗(yàn)值相近，材料韌性較好。

表2 樣管性能

3.5 金相分析

參考DL/T 884—2004《火力發(fā)電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》［4］，原材料為正常的回火馬氏體組織，組織老化級別為1～2級。管道內(nèi)壁裂紋起源于內(nèi)表面，向外部擴(kuò)展，裂紋形貌平直，無分支，尖端較為圓鈍，裂紋擴(kuò)展以穿晶為主，裂紋內(nèi)布滿氧化層，材料金相如圖6所示。

圖6 內(nèi)壁裂紋微觀圖

3.6 斷口觀察

裂紋斷面形貌主要為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)，分別對應(yīng)A、B、C區(qū)域，斷面形貌如圖7所示。裂紋源區(qū)位于管道內(nèi)壁，呈臺階狀，局部較為平整，說明裂紋源區(qū)存在多條裂紋源，與金相組織檢驗(yàn)結(jié)果一致；裂紋擴(kuò)展區(qū)存在較多的河流狀條紋，為脆性斷口。

圖7 斷面形貌

4 原因綜合分析

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明再熱蒸汽管道的化學(xué)成分和機(jī)械性能均滿足文獻(xiàn)［1-2］的要求，可排除材質(zhì)不良因素。

從內(nèi)壁形貌觀察，管道內(nèi)壁存在網(wǎng)狀裂紋，裂紋已貫穿管道整個壁厚從而導(dǎo)致泄漏。漏泄斷口形貌得出，裂紋由管道內(nèi)壁向外擴(kuò)展。管道內(nèi)壁網(wǎng)狀裂紋均存在于管道內(nèi)壁近集箱管座孔黑色區(qū)域內(nèi)。裂紋密布呈網(wǎng)狀，充滿氧化皮，發(fā)展不規(guī)則，沿晶開裂等判斷該裂紋為熱疲勞裂紋。而熱疲勞裂紋通常由于冷熱交替形成較大的溫差應(yīng)力作用下在應(yīng)力集中處或表面缺陷處形成微裂紋，并在冷熱循環(huán)作用下不斷擴(kuò)展深入母材。

現(xiàn)場再熱蒸汽取樣管有較長的垂直管段和水平管段，一次閥門離管座距離較遠(yuǎn)，管道較細(xì)，外部保溫效果較差，由于管子內(nèi)外溫差較大，形成了強(qiáng)烈的熱交換，造成遠(yuǎn)離母管遠(yuǎn)處的取樣管內(nèi)蒸汽形成凝結(jié)水，當(dāng)取樣管閥門開度較小放水不及時或放水流速較慢時，凝結(jié)水從水平段回流到再熱蒸汽管道內(nèi)，蒸汽貼著再熱器管道內(nèi)壁上方逐漸被再熱蒸汽蒸發(fā)，由于母管溫度較高，冷凝水又是非連續(xù)流淌，這樣就會在再熱母管取樣口蒸汽方向存在汽水兩相流，產(chǎn)生較高的冷熱交變應(yīng)力，造成母管取樣孔內(nèi)壁形成龜裂狀熱疲勞裂紋。DL/T 612—2017《電力行業(yè)鍋爐壓力容器安全監(jiān)督規(guī)程》［5］規(guī)定，空氣管、輸水管、排污管、取樣管、儀表管等小口徑管應(yīng)有布置圖及防止冷凝水倒流的措施。

再熱蒸汽取樣管在機(jī)組正常運(yùn)行時處于連續(xù)開通狀態(tài)，在機(jī)組停機(jī)后初期，在非備用狀態(tài)下母管內(nèi)迅速失壓后，冷空氣也會順著取樣管被負(fù)壓抽到高溫的再熱器母管內(nèi)，同樣取樣管內(nèi)冷凝水在未被排凈的情況下順著管座反流，受氣流沖擊噴在管口沿再熱器母管內(nèi)壁，會造成在再熱器母管取樣口蒸汽方向產(chǎn)生較高的交變冷熱應(yīng)力，造成母管取樣孔內(nèi)壁形成龜裂狀熱疲勞裂紋。

取樣管從母管引出后有較長的水平管段，并且呈現(xiàn)管座方向低取樣方向低的走勢，不滿足DL/T 612—2017《電力行業(yè)鍋爐壓力容器安全監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，是造成取樣管處再熱蒸汽管道開裂的主要原因。鍋爐僅運(yùn)行5 884.9 h，鍋爐啟停次數(shù)高達(dá)9次，是造成再熱蒸汽管道開裂的原因之一。

5 結(jié)語

原有取樣管從母管引出后有較長的水平管段，現(xiàn)改為再熱蒸汽取樣管從母管上后縮短原來的長度，并且把水平段做成再熱蒸汽管道出口側(cè)高，引出側(cè)偏低的走向，有效防止凝結(jié)水回流。停爐前要求盡量放凈凝結(jié)水，及時關(guān)閉取樣管一二次門，有效減少“冷氣源、冷水源”入內(nèi)。加強(qiáng)取樣管保溫包覆工作，提高取樣管內(nèi)蒸汽凝結(jié)水溫度，正常工況開大取樣管閥門開度，保證管內(nèi)冷凝水的排空速度，實(shí)際改造良好，值得推廣。