某超超臨界機(jī)組鍋爐末級(jí)過(guò)熱器鋼管泄漏原因分析

龔 巍 劉新星

(1. 哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 材料研究所，哈爾濱 150046； 2. 哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150046)

某電廠超超臨界清潔高效燃煤發(fā)電機(jī)組(鍋爐型號(hào)為HG-3118/29.3-YM6)在運(yùn)行112 h后，其鍋爐末級(jí)過(guò)熱器的鋼管發(fā)生泄漏。該鋼管材料為SA-213S30432不銹鋼，規(guī)格為φ44.5 mm×11 mm，設(shè)計(jì)溫度為640 ℃，蒸汽壓力為31.4 MPa。該末級(jí)過(guò)熱器的進(jìn)出口溫度分別為552 ℃和630 ℃，進(jìn)出口壓力分別為31.4 MPa和30.7 MPa。為查明泄漏發(fā)生的原因，筆者對(duì)失效鋼管進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析[1-2]。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

圖1 末級(jí)過(guò)熱器泄漏鋼管位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of leakage steel pipe position of end superheater

圖2 泄漏鋼管的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of leaking steel pipe

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)末級(jí)過(guò)熱器管左數(shù)第2屏后數(shù)第9根鋼管發(fā)生泄漏，失效鋼管的位置如圖1所示，宏觀形貌和圖2所示。由圖2可見(jiàn)，失效鋼管的爆口呈魚(yú)嘴狀，爆口長(zhǎng)度為140 mm，寬度為20 mm，其邊緣較粗糙且厚度最薄處為9.68 mm。爆口附近鋼管外表面有平行于管軸的蠕變裂紋，具有不銹鋼管過(guò)熱爆管的宏觀形貌特征[3-5]。失效管段發(fā)生了扭曲變形，除了爆口部位，其他管段內(nèi)外壁表面光滑，未見(jiàn)軋制、折疊、重皮、裂紋、結(jié)疤和離層等缺陷。對(duì)失效管段遠(yuǎn)離爆口且未扭曲變形處(圖2中A位置)與爆口處(圖2中B位置)的外徑進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算其脹粗率，結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)爆口處管段的外徑及脹粗率較大，遠(yuǎn)離爆口的管段的外徑及脹粗率較小。

表1 失效鋼管不同部位脹粗率的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of expansion rate of different parts of failed steel pipe

1.2 化學(xué)成分分析

從失效鋼管(圖2中的3號(hào)位置)上取樣，用OBLF QSN-750型直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。可見(jiàn)失效鋼管的化學(xué)成分符合ASME SA-213/SA-213M《鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》對(duì)SA-213S30432不銹鋼成分的技術(shù)要求。

1.3 拉伸試驗(yàn)

按照ASTM E8/E8M-16aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials，從失效鋼管(圖2中的1號(hào)位置)截取縱向圓棒狀拉伸試樣，采用CSS-2795型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示?？梢?jiàn)試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均滿(mǎn)足ASME SA-213/SA-213M對(duì)SA-213S30432不銹鋼的技術(shù)要求。

表2 失效鋼管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of failed steel pipe (mass fraction) %

表3 失效鋼管的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Tensile test results of failed steel pipe

1.4 硬度測(cè)試

按照ASTM E10-18StandardTestMethodforBrinellHardnessofMetallicMaterials，從失效鋼管(圖2中2號(hào)位置)上取樣，采用HB-3000C型布氏硬度儀對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試。得到失效鋼管的硬度為167 HBW，在DL/T 438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求的150～219 HBW范圍內(nèi)。

1.5 金相檢驗(yàn)

從失效鋼管的爆口處(圖2中3號(hào)位置)和遠(yuǎn)離爆口處(圖2中4號(hào)位置)分別截取金相試樣，試樣經(jīng)打磨、拋光處理后，用鹽酸苦味酸酒精溶液(5 mL鹽酸+1 g苦味酸+100 mL酒精)浸蝕，使用Zeiss Axiovert 200 MAT型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。由圖3可見(jiàn)，失效鋼管的爆口處與遠(yuǎn)離爆口處的顯微組織均為奧氏體+大量沿晶界和晶內(nèi)析出的碳化物[6]，晶界模糊且未見(jiàn)孿晶組織。爆口處顯微組織中有蠕變微裂紋。

圖3 失效鋼管爆口處與遠(yuǎn)離爆口處的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology a) at the burst and b) far away from the burst of failed steel pipe

2 分析與討論

由宏觀檢查結(jié)果可知，失效鋼管爆口處符合不銹鋼管過(guò)熱爆管的宏觀形貌特征。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，失效鋼管爆口處與遠(yuǎn)離爆口處的顯微組織為奧氏體+大量沿晶界和晶內(nèi)析出的碳化物，爆口處顯微組織中有微觀蠕變裂紋，符合不銹鋼管過(guò)熱爆管的微觀形貌特征[7]。綜上，可判斷該末級(jí)過(guò)熱器鋼管在運(yùn)行期間出現(xiàn)過(guò)熱導(dǎo)致其顯微組織中晶界與晶內(nèi)析出大量碳化物，使鋼管的力學(xué)性能劣化，進(jìn)而導(dǎo)致鋼管承壓能力下降，在內(nèi)壓應(yīng)力作用下，鋼管的蠕變速率加快并萌生出蠕變裂紋，最終導(dǎo)致該末級(jí)過(guò)熱器鋼管發(fā)生泄漏。

該超超臨界清潔高效燃煤發(fā)電機(jī)組為新建機(jī)組，運(yùn)行時(shí)間僅為112 h。末級(jí)過(guò)熱器在試運(yùn)行期間較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生過(guò)熱爆管的原因一般為：鋼管局部被異物阻塞；末級(jí)過(guò)熱器入口集箱處節(jié)流孔圈阻塞；鋼管局部熱負(fù)荷偏高等。為查明失效鋼管出現(xiàn)過(guò)熱爆管的原因，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取該末級(jí)過(guò)熱器出口溫度的變化曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)與失效管段同屏相鄰位置的管段以及相鄰管屏同位置的管段出口溫度未超過(guò)640 ℃(沒(méi)有超溫現(xiàn)象)，而失效管段出口溫度持續(xù)上升到約660 ℃并在該溫度下保持了6.5 h(出現(xiàn)超溫現(xiàn)象)，比其同屏相鄰位置管段以及相鄰管屏同位置管段的出口溫度高出60 ℃,由于局部熱負(fù)荷偏高的情況不會(huì)只出現(xiàn)在一根管段，由此可排除鋼管局部熱負(fù)荷偏高的因素。

對(duì)該末級(jí)過(guò)熱器管屏、末級(jí)過(guò)熱器入口集箱以及出口集箱的鋼管內(nèi)部進(jìn)行清潔度檢查后，發(fā)現(xiàn)在末級(jí)過(guò)熱器第35，37屏的鋼管內(nèi)有電廠基建安裝時(shí)的遺留物，而在其他管屏的鋼管、末級(jí)過(guò)熱器入口集箱和出口集箱內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)異物。由此推測(cè)該末級(jí)過(guò)熱器發(fā)生過(guò)熱爆管是因?yàn)殇摴鼙划愇镒枞?，?dǎo)致其工質(zhì)流量減小，管壁溫度升高，使鋼管處于超溫狀態(tài)而發(fā)生過(guò)熱爆管。由于爆管時(shí)高速氣流產(chǎn)生的瞬間沖擊力很大，極有可能將異物從爆口處吹出，因而在失效鋼管內(nèi)未發(fā)現(xiàn)阻塞物[7]。

3 結(jié)論及建議

超超臨界清潔高效燃煤發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行期間，其鍋爐末級(jí)過(guò)熱器鋼管因被異物堵塞而處于超溫運(yùn)行狀態(tài)，使鋼管的力學(xué)性能劣化、承壓能力下降，鋼管的蠕變速率加快，其表面萌生出蠕變裂紋，最終導(dǎo)致鋼管發(fā)生泄漏。

建議在電廠基建階段加強(qiáng)包括末級(jí)過(guò)熱器集箱在內(nèi)鍋爐的清潔度檢查，防止異物阻塞導(dǎo)致鍋爐鋼管過(guò)熱。同時(shí)，電廠應(yīng)對(duì)發(fā)生泄漏的末級(jí)過(guò)熱器管屏的其他部位進(jìn)行排查，檢查其他鋼管是否經(jīng)歷過(guò)熱運(yùn)行而在其外壁產(chǎn)生了蠕變裂紋，以消除影響鍋爐安全運(yùn)行的隱患。