摘 要:某電廠亞臨界機(jī)組鍋爐末級(jí)過(guò)熱器鋼管在原定位滑塊焊接處發(fā)生泄漏.采用宏觀檢 驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡以及能譜分析等方法對(duì)鋼管泄漏原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表 明:焊接工藝執(zhí)行不當(dāng)造成鋼管在焊接定位滑塊時(shí)局部管壁組織發(fā)生相變,鋼管熱影響區(qū)在長(zhǎng)期運(yùn) 行后抗蠕變性能下降是導(dǎo)致鋼管在運(yùn)行時(shí)發(fā)生泄漏的主要原因. 

關(guān)鍵詞:鋼管;末級(jí)過(guò)熱器;熱影響區(qū);泄漏;焊接 

中圖分類(lèi)號(hào):TM６２１．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６５０Ｇ０３ 

某電廠二期６６０ MW 機(jī)組鍋爐為亞臨界自然 循環(huán)汽包爐,２０１８年２月１日,該電廠５號(hào)鍋爐爐 膛泄漏報(bào)警,給水流量異常增大,停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)其末 級(jí)過(guò)熱器出口距頂棚約２m 處發(fā)生泄漏,如圖１所 示.過(guò) 熱 器 鋼 管 材 料 為 SA２１３T９１ 鋼,規(guī) 格 為 ?４５．０mm×５．２ mm. 鍋 爐 累 計(jì) 運(yùn) 行 時(shí) 間 約 １４００００h,共啟停９１次.為了查明過(guò)熱器發(fā)生泄 漏的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)及分析. 

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀分析 

現(xiàn) 場(chǎng) 檢 查 發(fā) 現(xiàn) 末 級(jí) 過(guò) 熱 器 左 數(shù) 第５屏 前 數(shù) 第４４,４５,４８,４９根、左數(shù)第６屏前數(shù)第４１,４３,４４根共 計(jì)７根鋼管發(fā)生泄漏.由圖２可見(jiàn),左數(shù)第５屏前 數(shù)第４９根(編號(hào)為５Ｇ４９,其他鋼管編號(hào)方式相同)鋼 管的爆口呈魚(yú)嘴狀撕裂,未出現(xiàn)明顯吹損減薄,推測(cè) 為初始爆口.泄漏蒸汽的沖刷將周?chē)陡摴艿墓鼙诖祿p減薄,在內(nèi)壓力作用下發(fā)生二次泄漏.將５Ｇ ４９號(hào)鋼管沿縱向剖開(kāi)后觀察,發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)壁表面的 爆口長(zhǎng)度約７０mm,寬度約６mm,爆口周?chē)鷽](méi)有明 顯的蠕變裂紋,鋼管內(nèi)壁氧化皮較厚,局部氧化皮出 現(xiàn)開(kāi)裂、脫落. 

１．２ 力學(xué)性能分析 

由檢修資料得知,該末級(jí)過(guò)熱器管在技改時(shí)曾 切除５Ｇ４９號(hào)鋼管原定位滑塊(材料為 T９１鋼),將泄 漏位置標(biāo)高處定位滑塊整體下移.在５Ｇ４９號(hào)鋼管 上分別截取管段１(距頂棚１m)和管段２(原定位滑 塊焊接處)進(jìn)行壓扁試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)管段１壓扁后, 其外壁未出現(xiàn)明顯裂紋,壓扁試驗(yàn)合格;管段２壓扁 后,在原定位滑塊焊接處出現(xiàn)了裂紋,壓扁試驗(yàn)不合 格,如圖３所示. 

１．３ 金相分析

將圖２b)中的鋼管沿橫向切成鋼片,分別在鋼 片爆口中間、爆口１/４處以及爆口邊緣截取金相試 樣,試樣截取位置如圖２a)所示,分別記為１,２,３號(hào)試樣.

在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),１號(hào)和２號(hào)試樣的 相變區(qū)內(nèi)為粗大的針狀馬氏體組織,熱影響區(qū)內(nèi)為 回火馬氏體,如圖４a)和圖４b)所示;３號(hào)試樣的熱 影響區(qū)內(nèi)為回火馬氏體,與母材有輕微差異;熱影響 區(qū)邊緣組織中出現(xiàn)粗晶帶,爆口沿該粗晶帶由外壁 向內(nèi)壁擴(kuò)展[１],如圖４c)所示. 

１．４ 掃描電鏡及能譜分析 

在 ５Ｇ４９ 號(hào) 鋼 管 爆 口 處 取 樣 進(jìn) 行 掃 描 電 鏡 (SEM)分析,結(jié)果如圖５所示,可見(jiàn)爆口裂紋周?chē)? 有少量蠕變孔洞,裂紋尖端存在氧化層,這表示爆口 裂紋的萌生和擴(kuò)展經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間.

１．５ 顯微硬度分析 

在技改時(shí)與５Ｇ４９號(hào)鋼管做過(guò)相同處理的５Ｇ４６ 號(hào)鋼管的 輕 微 受 損 處 截 取 硬 度 試 樣,沿 著 如 圖 ６ 所示的方向,即 相 變 區(qū) → 熱 影 響 區(qū) → 母 材 的 順 序 ?。常皞€(gè)點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試.從圖７可以看出,

從相變區(qū)到 母 材,顯 微 硬 度 呈 現(xiàn) 先 增 后 降 再 增 的 趨勢(shì).這是 因 為 焊 接 時(shí) 相 變 區(qū) 輸 入 熱 量 較 高,超 過(guò)了奧氏體 化 溫 度,冷 卻 后 形 成 硬 度 較 高 的 針 狀 馬氏體,其顯微硬度最 高 達(dá) 到 ２５２ HV;而 熱 影 響 區(qū)雖然焊接 時(shí) 溫 度 未 超 過(guò) 相 變 溫 度,但 仍 然 存 在 過(guò)熱,屬于 不 完 全 正 火,造 成 顯 微 硬 度 下 降(最 低 僅為１９８HV),局部甚至產(chǎn)生了粗晶帶,抗蠕變性 能下降;遠(yuǎn)離 熱 影 響 區(qū) 的 母 材 在 焊 接 時(shí) 輸 入 熱 量 較小,組織 變 化 不 大,仍 然 保 持 原 有 的 硬 度;靠 近 焊接熱影響 區(qū) 邊 緣 處 的 硬 度 最 低,這 也 與 爆 口 沿 著熱影響區(qū)擴(kuò)展的現(xiàn)象吻合. 

１．６ 氧化皮檢測(cè)分析

在５Ｇ４９,５Ｇ５０,５Ｇ４６號(hào)鋼管內(nèi)壁取樣,采用金相 法分別測(cè)量試樣的氧化皮厚度.結(jié)果顯示５Ｇ４９,５Ｇ ５０,５Ｇ４６ 鋼 管 內(nèi) 壁 的 氧 化 層 厚 度 分 別 為 ５４８．２６, ５１３．５６,４２５．１５μm. 

２ 分析與討論 

從壓扁試驗(yàn)可知在原定位滑塊處鋼管的力學(xué)性能 不合格,通過(guò)金相分析觀察到５Ｇ４９號(hào)鋼管焊接熱影響 區(qū)邊緣的組織中出現(xiàn)了粗晶帶,爆口沿該粗晶帶由管 外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展開(kāi)裂,這表明該段管材原定位滑塊焊 接時(shí)焊接熱輸入過(guò)大導(dǎo)致局部發(fā)生相變.掃描電鏡觀 察到裂紋周?chē)嬖谏倭咳渥兛锥?這說(shuō)明部分原定位 滑塊處鋼管長(zhǎng)期運(yùn)行后顯微組織出現(xiàn)老化現(xiàn)象.

通過(guò)金相分析觀察到５Ｇ４９號(hào)鋼管焊接熱影響 區(qū)邊緣的組織中出現(xiàn)粗晶帶,爆口沿該粗晶帶由鋼 管外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展直至開(kāi)裂.

從管外氧化皮情況看,末級(jí)過(guò)熱器５Ｇ４９號(hào)鋼管 的氧化層最厚,氧化程度比其他鋼管的嚴(yán)重.根據(jù) 氧化動(dòng)力學(xué)原理,過(guò)熱器鋼管內(nèi)壁氧化皮的增長(zhǎng)厚 度與其 在 服 役 期 內(nèi) 的 當(dāng) 量 金 屬 溫 度 有 一 定 的 關(guān) 系[２Ｇ３],而鋼管的當(dāng)量金屬溫度可按 Laborelec經(jīng)驗(yàn) 公式[４Ｇ５]計(jì)算

式中:T 為金屬溫度;a,b 為特定材料常數(shù);t 為鋼 管已運(yùn)行時(shí)間,此處按１４００００h計(jì)算;x 為鋼管內(nèi) 壁氧化層厚度.

根據(jù)式(１)計(jì)算得到末級(jí)過(guò)熱器出口段鋼管管 壁的當(dāng)量溫度為 ６０７~６２２ ℃,按照 DL/T７１５－ ２０１５«火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則»,SA２１３T９１ 鋼管材料的推薦使用溫度不大于６１０ ℃,由此可推 測(cè)末級(jí)過(guò)熱器５Ｇ４９號(hào)鋼管運(yùn)行的當(dāng)量溫度已接近 或超過(guò)材料的推薦使用溫度. 

３ 結(jié)論及建議 

現(xiàn)場(chǎng)檢查及理化檢驗(yàn)分析結(jié)果表明,鍋爐末級(jí) 過(guò)熱器發(fā)生泄漏的初始位置為５Ｇ４９號(hào)鋼管原定位 滑塊焊接處,由于焊接時(shí)熱輸入過(guò)大,造成鋼管管壁 局部發(fā)生相變且晶粒粗大,在長(zhǎng)期過(guò)熱運(yùn)行后,鋼管 焊接熱影響區(qū)抗蠕變性能下降,最終在熱影響區(qū)邊 緣產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展.

建議加強(qiáng)鍋爐受熱面焊件的焊接質(zhì)量控制,制 定合理的焊接工藝,并進(jìn)行焊接質(zhì)量檢查,及時(shí)發(fā)現(xiàn) 并消除缺陷,以確保鍋爐長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行.

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