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

關(guān)鍵詞:鋼管;末級過熱器;熱影響區(qū);泄漏;焊接

中圖分類號:TM６２１．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６５０Ｇ０３

某電廠二期６６０ MW 機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號鍋爐爐 膛泄漏報警,給水流量異常增大,停機檢查發(fā)現(xiàn)其末 級過熱器出口距頂棚約２m 處發(fā)生泄漏,如圖１所 示.過 熱 器 鋼 管 材 料 為 SA２１３T９１ 鋼,規(guī) 格 為 ?４５．０mm×５．２ mm. 鍋 爐 累 計 運 行 時 間 約 １４００００h,共啟停９１次.為了查明過熱器發(fā)生泄 漏的原因,筆者對其進行了理化檢驗及分析.

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀分析

現(xiàn) 場 檢 查 發(fā) 現(xiàn) 末 級 過 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７根鋼管發(fā)生泄漏.由圖２可見,左數(shù)第５屏前 數(shù)第４９根(編號為５Ｇ４９,其他鋼管編號方式相同)鋼 管的爆口呈魚嘴狀撕裂,未出現(xiàn)明顯吹損減薄,推測 為初始爆口.泄漏蒸汽的沖刷將周圍６根鋼管的管壁吹損減薄,在內(nèi)壓力作用下發(fā)生二次泄漏.將５Ｇ ４９號鋼管沿縱向剖開后觀察,發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)壁表面的 爆口長度約７０mm,寬度約６mm,爆口周圍沒有明 顯的蠕變裂紋,鋼管內(nèi)壁氧化皮較厚,局部氧化皮出 現(xiàn)開裂、脫落.

１．２ 力學性能分析

由檢修資料得知,該末級過熱器管在技改時曾 切除５Ｇ４９號鋼管原定位滑塊(材料為 T９１鋼),將泄 漏位置標高處定位滑塊整體下移.在５Ｇ４９號鋼管 上分別截取管段１(距頂棚１m)和管段２(原定位滑 塊焊接處)進行壓扁試驗,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號試樣.

在光學顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),１號和２號試樣的 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)壁擴展[１],如圖４c)所示.

１．４ 掃描電鏡及能譜分析

在 ５Ｇ４９ 號 鋼 管 爆 口 處 取 樣 進 行 掃 描 電 鏡 (SEM)分析,結(jié)果如圖５所示,可見爆口裂紋周圍 有少量蠕變孔洞,裂紋尖端存在氧化層,這表示爆口 裂紋的萌生和擴展經(jīng)歷了較長時間.

１．５ 顯微硬度分析

在技改時與５Ｇ４９號鋼管做過相同處理的５Ｇ４６ 號鋼管的 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€點進行顯微硬度測試.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.這是 因 為 焊 接 時 相 變 區(qū) 輸 入 熱 量 較 高,超 過了奧氏體 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 到 ２５２ HV;而 熱 影 響 區(qū)雖然焊接 時 溫 度 未 超 過 相 變 溫 度,但 仍 然 存 在 過熱,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;遠離 熱 影 響 區(qū) 的 母 材 在 焊 接 時 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)擴展的現(xiàn)象吻合.

１．６ 氧化皮檢測分析

在５Ｇ４９,５Ｇ５０,５Ｇ４６號鋼管內(nèi)壁取樣,采用金相 法分別測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

從壓扁試驗可知在原定位滑塊處鋼管的力學性能 不合格,通過金相分析觀察到５Ｇ４９號鋼管焊接熱影響 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)壁擴展開裂,這表明該段管材原定位滑塊焊 接時焊接熱輸入過大導致局部發(fā)生相變.掃描電鏡觀 察到裂紋周圍存在少量蠕變孔洞,這說明部分原定位 滑塊處鋼管長期運行后顯微組織出現(xiàn)老化現(xiàn)象.

通過金相分析觀察到５Ｇ４９號鋼管焊接熱影響 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)壁擴展直至開裂.

從管外氧化皮情況看,末級過熱器５Ｇ４９號鋼管 的氧化層最厚,氧化程度比其他鋼管的嚴重.根據(jù) 氧化動力學原理,過熱器鋼管內(nèi)壁氧化皮的增長厚 度與其 在 服 役 期 內(nèi) 的 當 量 金 屬 溫 度 有 一 定 的 關(guān) 系[２Ｇ３],而鋼管的當量金屬溫度可按 Laborelec經(jīng)驗 公式[４Ｇ５]計算

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

根據(jù)式(１)計算得到末級過熱器出口段鋼管管 壁的當量溫度為 ６０７~６２２ ℃,按照 DL/T７１５－ ２０１５«火力發(fā)電廠金屬材料選用導則»,SA２１３T９１ 鋼管材料的推薦使用溫度不大于６１０ ℃,由此可推 測末級過熱器５Ｇ４９號鋼管運行的當量溫度已接近 或超過材料的推薦使用溫度.

３ 結(jié)論及建議

現(xiàn)場檢查及理化檢驗分析結(jié)果表明,鍋爐末級 過熱器發(fā)生泄漏的初始位置為５Ｇ４９號鋼管原定位 滑塊焊接處,由于焊接時熱輸入過大,造成鋼管管壁 局部發(fā)生相變且晶粒粗大,在長期過熱運行后,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)生裂紋并擴展.

建議加強鍋爐受熱面焊件的焊接質(zhì)量控制,制 定合理的焊接工藝,并進行焊接質(zhì)量檢查,及時發(fā)現(xiàn) 并消除缺陷,以確保鍋爐長期安全穩(wěn)定運行.

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文章來源——材料與測試網(wǎng)