分享：余热锅炉高压过热器取样管开裂原因

李 根1,李 杨2,苏晓阳1,尚 伟1,刘昕颖1

(1.华电电力科学研究院有限公司,济南 250100;2.山东省产品质量检验研究院,济南 250100) 

摘 要:某电厂254MW 燃气机组在运行过程中发现,其材料为07Cr19Ni10不锈钢的高压过热 器取样管弯头处发生开裂。通过宏观观察、化学成分分析、金相检验、硬度测试、微观分析及金相检 验等方法,对取样管的开裂原因进行了分析。结果表明:由于高压过热器取样管安装不当,取样管 弯头处受到斜向上的拉应力。同时,取样管原始质量存在缺陷,其在高温高压工况下长期服役,随 着第二相逐渐向晶界偏聚,当晶界强度低于所受拉应力时,晶界被拉裂从而形成裂纹。裂纹沿壁厚 方向扩展,最终导致取样管开裂失效。 

关键词:高压过热器;取样管;开裂;拉应力;晶界偏聚 中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)04-0073-04

近几年,某发电集团下的电厂多次发生因高温 高压管道的小管泄漏而导致的机组非计划性停运事 件[1]。与高温高压管道相连的小管一旦发生泄漏, 大量的高温高压蒸汽从泄漏处喷出,不仅影响机组 的安全稳定运行,更会对巡检人员造成严重的伤害。 因此,对于此类小管的管理是发电企业金属监督工 作的重要内容。近期,某电厂254 MW 燃气机组在 运行过程中发现余热锅炉高压过热器取样管发生 开裂。 该 电 厂 254 MW 发 电 机 组 为 西 门 子 SGT5- 2000E型燃气-蒸汽联合循环热电联产机组。由重 型单缸燃气轮机、联合循环蒸汽轮机和双压自然循 环余热锅炉组成。于2012年9月正式投产发电,截 止该 高 压 过 热 器 取 样 管 开 裂 时 已 累 计 运 行 约 30000h。该余热锅炉高压过热器取样管设计压力 为8.8 MPa,设 计 温 度 为 538 ℃。取 样 管 规 格 为?16mm×2.5mm,材料为07Cr19Ni10钢。取样管 位置如图1所示,该取样管从炉顶西侧高压过热蒸 汽管道上引出,水平延伸约1.3m 后垂直向下。取 样管水平段和垂直段均有抱箍进行固定。管子整体 未进行全封闭的保温处理,仅是在管子外部简单包 裹了一层石棉布。为保证机组安全稳定运行,笔者 对开裂的取样管进行了分析,查明了开裂原因,并提 出相应措施避免类似事件再次发生。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察

将开裂的取样管拆除保温层后取下观察。如图 2所示,开裂位置位于取样管弯头的下部,接近弯头 与水平段的结合位置。裂纹沿壁厚方向自外向内扩 展,除该处裂纹外,周围区域宏观上未见其他表面裂 纹。取样管水平段管子整体存在斜向上的变形,弯 管处角度大于90°。取样管表面存在大量白色盐状 渍迹和铁锈,整体已完全失去金属光泽,呈现较严重 的氧化腐蚀形态。将开裂处完全掰开,开裂处截面 形貌如图2c)所示,断口附近呈黑色,管壁无明显减 薄和胀粗现象,断口凹凸不平,表面仍有少量裂纹向 管壁方向延伸。

1.2 化学成分分析 

    在取样管水平段横向切割取样,采用 ARL8860 型台式直读光谱仪对其进行化学成分分析,结果见 表1。可 见 该 取 样 管 的 铬 元 素 低 于 GB/T5310— 2017《高压锅炉用无缝钢管》中对07Cr19Ni10无缝 钢管的要求,磷元素高于标准要求,镍元素含量接近 标准要求的下限值。 

1.3 硬度测试

根据 GB/T4340.1—2009《金属材料 维氏硬度 试验 第1部分:试验方法》,采用 Shimadzu型显微 硬度仪对取样管直段处和断口处进行硬度测试,结 果见表2。可见断口处硬度高于 GB/T5310—2017 的要求,说明取样管弯头在冷弯加工时存在加工硬 化的情况[2]。

1.4 微观分析 采用扫描电镜(SEM)对图2c)的断面进行观 察,如图3所示。断面处晶粒呈冰糖块状,为典型的 脆性沿晶断裂特征[3]。由于沿晶断口上未见“鸡爪 痕”,且取样管在工况为非富氢环境下运行多年,可 排除由氢脆导致的开裂[4-5]。 对断面晶界处进行能谱(EDS)分析,如图4所 示。与非断裂处管截面化学成分(表1)相比较,断 面晶界处磷元素含量最高达到2.79%(质量分数), 可知有含磷元素化合物在晶间聚集。

1.5 金相检验 

在取样管垂直于断口截面方向上进行切割取 样,经打磨、抛光、浸蚀后,置于金相显微镜下观察, 如图5所示,其显微组织为晶内存在少量第二相的 奥氏体[6]。靠近断口处裂纹沿晶界扩展,其他区域 组织内未见细小裂纹。晶界附近第二相开始发生偏 聚,一些已经呈链状分布,部分三叉晶界处存在粗大第二相。由于07Cr19Ni10不锈钢未添加铌或钛等 稳定化 元 素,属 于 非 稳 定 化 奥 氏 体 不 锈 钢。根 据 DL/T1422—2015《18Cr-8Ni系列奥氏体不锈钢锅 炉管显微组织老化评级标准》要求,该不锈钢管老化 级别为3级,属于中度老化。 

使用扫描电镜观察上述取样管试样。如图6区 域1所示,在样品制备过程中,沿晶界析出的富铬第 二相发生脱落,在晶界上留下断续的凹坑。对三叉 晶界区域2和晶体内区域3进行 EDS分析,结果见 表3。晶界区域铬、碳、磷等元素含量均高于晶体内 部元素含量。可推测如 M23C6 型富铬第二相沿晶 界析出[7-8]。同时,磷元素在晶界上发生了偏聚[9]。 

2 分析与讨论 

根据高压过热器取样管的宏观形态可猜测,由 于基建安装过程中管子预留长度存在偏差,导致取 样管与母管焊接过程中存在强力对口现象,使得取 样管弯头处存在一个斜向上的拉应力。再加上取样管水平段和垂直段均有抱箍进行约束和固定,使得 应力无法得到完全释放。同时,由于对取样管保护 不当,取样管外表面存在严重的氧化腐蚀现象。 根据化学成分和硬度测试结果可知,该取样管 存在产品质量问题。取样管磷元素含量高于标准要 求。磷元素含量的增加,不仅会引发表面裂纹,还会 显著降低弯管的塑形和韧性[10]。同时,由于取样管 在冷弯加工时存在加工硬化,使得弯头处硬度也高 于标准要求,增加     了取样管的脆性。通过扫描电镜 和能谱分析可知,断截面处晶粒呈冰糖块状,断裂模 式为典型的脆性沿晶断裂。同时,在断截面晶界处 存在磷化物的聚集现象。 通过金相检验可知取样管显微组织正常,为奥 氏体组织。由于取样管长期在538℃工况条件下服 役,在组织的自然老化过程中,晶界附近第二相开始 发生偏聚。通过扫描电镜和能谱分析可知,晶内铬、 镍、碳、磷等元素聚集在一起形成诸如 M23C6 型的 碳化物和磷化物优先沿晶界析出,使得组织中晶粒 间的结合力不断下降[11-12]。

3 结论及建议

由于高压过热器取样管安装不当,取样管弯头 处受到斜向上拉应力。同时,由于取样管原始质量 存在缺陷,在高温高压工况下长期服役,随着第二相 逐渐向晶间偏聚,当晶界强度低于应力时,晶界被拉 裂从而形成裂纹。裂纹沿壁厚方向扩展,最终导致 取样管开裂失效。 建议管件安装时应严格按照图纸要求进行施 工,焊接时严禁强力对口而导致管件承受非设计用 力。安装完成后,应对取样管进行密封保温处理,以 防止管外壁被外界氧化腐蚀。