摘 要:某余熱發(fā)電鍋爐低溫過(guò)熱器連接彎頭在運(yùn)行三個(gè)月后發(fā)生開裂。采用宏觀觀察、化學(xué) 成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)和能譜分析等方法,分析了連接彎頭開裂的原因。結(jié)果表明:該連接 彎頭開裂的原因是在鍋爐安裝后的煮爐過(guò)程中,堿液進(jìn)入過(guò)熱器,并在連接彎頭內(nèi)表面焊縫處聚 集、濃縮,在較高的溫度及管道自重、汽水振動(dòng)、熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的共同等多種應(yīng)力作用下,連接 彎頭焊縫處發(fā)生堿脆開裂。

關(guān)鍵詞:余熱發(fā)電鍋爐;過(guò)熱器;堿液;堿脆開裂

中圖分類號(hào):TG111.91                                    文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                      文章編號(hào):1001-4012(2022)03-0041-04

近年來(lái),隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)能源消 耗逐步上升,在化工、建材等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了大量的 廢熱資源,造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。余熱發(fā)電技術(shù) 是一種將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的余熱回收利用,并轉(zhuǎn)化 為電能的技術(shù)。余熱發(fā)電不僅能節(jié)約能源,還有利 于環(huán)境保 護(hù),是 國(guó) 家 實(shí) 行 節(jié) 能 減 排 的 重 要 技 術(shù) 措 施[1-2]。余熱發(fā)電鍋爐是余熱發(fā)電系統(tǒng)中重要的組 成部分,余熱發(fā)電鍋爐及其附屬設(shè)備的正常運(yùn)行對(duì) 整個(gè)余 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 循 環(huán) 工 作 起 到 至 關(guān) 重 要 的 作用。 

某建材公司水泥窯生產(chǎn)線余熱發(fā)電鍋爐配套了 一臺(tái)9MW 的低參數(shù)混壓純凝氣式汽輪發(fā)電機(jī)組, 鍋爐安裝并煮爐完成后投入試運(yùn)行,僅運(yùn)行三個(gè)月 后,發(fā)現(xiàn)余熱發(fā)電鍋爐低溫過(guò)熱器出口集箱連接彎 頭及附近多個(gè)部件出現(xiàn)開裂。依據(jù) GB/T3087- 2008《低中壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn),集箱及周邊管 件采用的材料均為20號(hào)鋼。為查找連接彎頭及附 近部件的開裂原因,避免該類問(wèn)題的再次發(fā)生,筆者 對(duì)一處裂紋較多的連接彎頭進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和 分析。 

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

如圖1所示:連接彎頭母材外表面和內(nèi)表面均有多條較長(zhǎng)的裂紋,裂紋主要位于焊縫附近及彎頭 母材處分布較為曲折,但大致平行于焊縫且呈環(huán)狀 分布;彎頭外表面焊縫處有大塊補(bǔ)焊痕跡,補(bǔ)焊處也 有較長(zhǎng)的裂紋;可見裂紋萌生于彎頭側(cè)母材內(nèi)表面, 并由彎頭內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展。

1.2 化學(xué)成分分析

在開裂連接彎頭裂紋附近彎頭側(cè)母材處截取試 樣,對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析。如表1所示,彎頭母材 的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T3087-2008對(duì)20號(hào) 鋼的技術(shù)要求。 

1.3 硬度測(cè)試

GB/T3087-2008標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)20號(hào)鋼的拉伸性 能做出規(guī)定,但開裂連接彎頭壁厚較薄,不易截取拉 伸試樣。因此,對(duì)開裂連接彎頭的焊縫、彎頭側(cè)母材 和集 箱 側(cè) 母 材 進(jìn) 行 硬 度 測(cè) 試,依 據(jù) GB/T1172- 1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》,將硬度換算成 抗拉強(qiáng)度。如表2所示,連接彎頭的焊縫、彎頭側(cè)母 材、集箱側(cè)母材的硬度相差較小,換算成的焊縫和彎 頭側(cè)母材的抗拉強(qiáng)度分別為520 MPa和491 MPa, 該結(jié)果符合 GB/T3087-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20號(hào)鋼抗拉 強(qiáng)度的技術(shù)要求(410~550MPa)。

1.4 金相檢驗(yàn) 

在開裂連接彎頭的焊接接頭處截取試樣,對(duì)其內(nèi) 表面進(jìn)行顯微組織觀察。如圖2所示:開裂連接彎頭 焊縫兩側(cè)母材的組織均為鐵素體+珠光體,彎頭側(cè)母 材的珠光體組織較為細(xì)小,鐵素體發(fā)生了輕微的拉長(zhǎng) 變形;集箱側(cè)母材的鐵素體呈等軸狀;彎頭側(cè)熔合區(qū) 及焊縫未見明顯氣孔、夾渣、熱裂紋等焊接缺陷;彎頭 側(cè)熱影響區(qū)晶粒較粗大,可見少量魏氏組織。

如圖3所示:焊接接頭母材內(nèi)表面裂紋擴(kuò)展路 徑較曲折,主裂紋邊緣有較多二次裂紋,裂紋均沿晶 界擴(kuò)展;焊縫處裂紋呈曲折狀,主裂紋邊緣有較多沿 晶界擴(kuò)展的二次裂紋。

1.5 能譜分析

將開裂連接彎頭沿裂紋斷開后,對(duì)其斷口進(jìn)行 能譜分析。如圖4所示,斷口表面主要成分為鐵的 氧化物,且含一定量的鈉和磷元素。

2 分析與討論 

彎頭 側(cè) 母 材 的 化 學(xué) 成 分 符 合 GB/T 3087- 2008標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)20號(hào)鋼的技術(shù)要求,焊縫與其兩側(cè) 母材的硬度都較為均勻,通過(guò)硬度換算成的抗拉強(qiáng) 度符合 GB/T3087-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20號(hào)鋼的技術(shù)要 求,開裂連接彎頭的顯微組織也未見明顯異常。綜 上所述,連接彎頭開裂與其材料無(wú)關(guān),大部分裂紋均 位于補(bǔ)焊處彎頭側(cè)母材,無(wú)補(bǔ)焊處彎頭側(cè)母材也有 較長(zhǎng)的裂紋,因此可排除彎頭開裂與其外表面補(bǔ)焊 有關(guān)。

通過(guò)金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,起裂位置在彎頭側(cè)母 材內(nèi)表面,并向外表面擴(kuò)展,焊縫內(nèi)表面及彎頭側(cè)母 材區(qū)域的主裂紋邊緣均有較多的二次裂紋,裂紋均 沿晶界擴(kuò)展,這與碳鋼和低合金鋼“堿脆”裂紋的典 型特征相一致[3-5]。通過(guò)能譜分析可知,將連接彎頭 沿裂紋斷開后,發(fā)現(xiàn)其斷口表面存在一定含量的鈉 和磷元素,在鍋爐試運(yùn)行前,需使用氫氧化鈉和磷酸三鈉進(jìn)行煮爐,由此得知,鈉和磷元素可能來(lái)源于煮 爐過(guò)程中加入的堿液。

常溫環(huán)境中,碳鋼與堿液(NaOH)反應(yīng)生成的 腐蝕產(chǎn)物[Fe(OH)3]在堿液中的溶解度很低[6],能 牢固覆蓋在碳鋼表面,從而避免碳鋼被進(jìn)一步腐蝕。 在較高溫度和一定應(yīng)力的共同作用下,碳鋼或低合 金鋼在堿液中會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,這種應(yīng)力腐蝕 開裂稱為堿脆開裂,即苛性脆化。堿脆是一種特殊 的電化學(xué)腐蝕,其反應(yīng)方程式如式(1)所示[7-8]。

該腐蝕過(guò)程一般發(fā)生在金屬表面應(yīng)力集中處或 發(fā)生電化學(xué)腐蝕的溝槽處,溶液沿氧化膜裂縫處進(jìn) 入內(nèi)部與金屬基體發(fā)生反應(yīng),在氧化膜破損處重新 形成 Fe3O4 氧化膜,氧化膜在應(yīng)力 作 用 下 發(fā) 生 破 損,如此往復(fù),該過(guò)程使應(yīng)力腐蝕裂紋不斷擴(kuò)展。同 時(shí),裂紋兩側(cè)金屬晶粒內(nèi)部和晶界存在一定的電位 差,晶界電位比晶粒內(nèi)部電位低得多,從而使晶界作 為陽(yáng)極進(jìn)一步被氧化,這也促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。

碳鋼和低合金鋼發(fā)生堿脆開裂,必須滿足的3 個(gè)基本條件,即較高濃度的 NaOH 溶液、一定的拉 伸應(yīng)力和較高的溫度[9-10]。一般認(rèn)為,堿脆開裂在 溶液沸點(diǎn)附近時(shí)最容易發(fā)生,溫度低于46℃時(shí)一般 不發(fā)生[11-14]。溶液中的 NaOH 濃度很低時(shí),在高溫 環(huán)境中,NaOH 可能會(huì)在縫隙或粗糙的金屬表面聚 集、濃縮,增大了材料的堿脆開裂敏感性。 

該連接彎頭發(fā)生應(yīng)力堿脆開裂是在鍋爐煮爐過(guò) 程中堿液進(jìn)入過(guò)熱器導(dǎo)致的。在煮爐過(guò)程中,堿液 進(jìn)入過(guò)熱器,在較高煮爐溫度以及管道自重、汽水振 動(dòng)、熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等多種應(yīng)力的共同作用下,連 接彎頭焊縫處發(fā)生堿脆開裂。

3 結(jié)論及建議

(1)余熱發(fā)電鍋爐低溫過(guò)熱器出口集箱連接彎頭的開裂原因是鍋爐安裝后的煮爐過(guò)程中,堿液進(jìn) 入了過(guò)熱器內(nèi)部,在連接彎頭內(nèi)表面縫隙處聚集、濃 縮,在較高的溫度以及管道自重、汽水振動(dòng)、熱應(yīng)力 和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等多種應(yīng)力的共同作用下,連接彎頭焊 縫處發(fā)生堿脆開裂。 

(2)根據(jù)堿液進(jìn)入過(guò)熱器后的流動(dòng)方向,在該 開裂連接彎頭附近管段進(jìn)行超聲波、射線檢測(cè),檢查 存在裂紋的區(qū)域,并對(duì)存在裂紋的管段進(jìn)行更換,避 免裂紋在后續(xù)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生擴(kuò)展,引起管子 開裂。此外,根據(jù)裂紋存在區(qū)域的大小,對(duì)開裂連接 彎頭附近管段內(nèi)壁進(jìn)行沖洗,以降低管段內(nèi)壁的堿 含量。 

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