龚秋文,刘课秀,马 括,封小亮

(广州特种承压设备检测研究院,广州 510663)

摘 要:某亚临界机组锅炉分隔屏过热器在运行过程中发生爆管泄漏,采用宏观观察、壁厚测 量、化学成分分析、拉伸试验、硬度测试、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法对其爆管原因进行 分析。结果表明:分隔屏过热器受热面管受到吹灰蒸汽等冲刷作用,使过热器管局部出现了严重的 冲刷磨损减薄,最终导致管子承压能力不足而发生局部破裂。

关键词:分隔屏过热器;爆管;冲刷;泄漏 中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)12-0068-05

随着国内经济的快速发展和发电机组质量标准 的日益提高,机组的稳定运行成为一项基本要求。 爆管事故的发生不仅使设备检修工作量和检修费用 大大增加,而且严重影响了锅炉机组的安全稳定运 行,有时甚至发生人员伤亡和设备严重损坏事故[1]。 目前,锅炉四管泄漏仍是发电机组非计划停运的重 要原因之一[2]。研究分析电厂锅炉分隔屏过热器爆 管原因并给出相关预防建议,对于防范过热器爆管, 避免非计划停运有重要的意义。 发生爆管的亚临界锅炉型号为 SG-1100/17.5- M739,机组于2010年投入使用,发生爆管时机组负 荷为248 MW,供热流量为 209t/h,主蒸汽压力为 16.1MPa,主蒸汽流量为910.9t/h。过热器管规格 为 51 mm ×6.5 mm (外 径 × 壁 厚 ),材 料 为 12Cr1MoVG 钢。12Cr1MoVG 钢是一种常见的珠 光体型热强钢[3],具有组织结构稳定、综合力学性能 优良等优点[4],被广泛应用于电站锅炉集箱、管道及 受热面管子的制造,标准 TSG11—2020《锅炉安全 技术规程》规定12Cr1MoVG 钢适用于金属壁温不 高于580 ℃ 的受热面管子,以 及 使 用 温 度 不 高 于 565 ℃的集箱、管道等。爆管位置为从炉左往炉右 数第2大屏、从炉前往炉后数第3小屏最内侧弯管 处,该爆管部位为过热器管第1泄漏点,该炉左右两 侧均装有长吹灰器,从炉左往炉右数第2大屏、从炉 前往炉后数第4小屏同一标高位置也存在吹损情 况,分隔屏过热器管结构如图1所示。

1理化检验

1.1宏观观察

从炉左往炉右数第2大屏、从炉前往炉后数第 4小屏过热器管的宏观形貌如图2所示。

泄漏的过热器管为弯管及两侧各约1 m 长的 钢管,钢管外壁可见3处明显损伤缺陷,其中爆口位 于弯管位置上方焊缝往上位置,爆口处沿钢管纵向 撕裂,爆口 长 度 约 为 220 mm,爆 口 最 大 宽 度 约 为 45mm,弯管至爆口上方长约450mm、宽约40mm 的表面呈磨平状,可见两侧爆口均明显减薄,爆口张 口最大位置一侧呈略微外翻状态,可判断该处为启 裂位置,钢管内、外壁表面均未见明显腐蚀、结焦、积 盐等异常。爆裂的过热器管整体及局部宏观形貌如 图3所示。过热器管对接焊缝局部明显减薄,但较 两侧母材则略微凸出。1 # 损伤部位与爆口减薄面 朝向一致,表面接近磨平状;2 # 损伤部位位于 U 型 弯管外弧侧,表面可见明显机械划伤,整体接近平面状。对过热器管进一步制取试样进行分析,取样位 置如图4所示。 图4 过热器管取样位置

1.2 壁厚测量

依据标准 GB/T11344—2021《无损检测 超声 测厚》,采用型号为 DM5E 的超声测厚仪对过热器 管进行壁厚测量,可见爆口所在纵向局部接近磨平 区域壁厚严重减薄,实测最小壁厚为1.40mm,磨平 管段其余侧壁厚仍保持为6.5mm,1 # 损伤处表现 为轻微减薄,2 # 损伤处未见明显减薄,爆裂的过热 器管壁厚测量结果如图5所示。 图5 爆裂的过热器管壁厚测量结果

1.3 化学成分分析

在爆裂的过热器管上制取试样,采用 ARL4460 型直读光谱仪进行化学成分分析,结果如表1所示, 可见过热器管的化学成分均符合 GB/T5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》对12Cr1MoVG钢的要求。

1.4 拉伸试验

在过热 器 爆 管 上 制 取 两 个 纵 向 弧 形 拉 伸 试 样,试 样 平 行 段 宽 度 为 10 mm,按 照 GB/T 228.1—2021 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温 试验方法》,采用 DNS300型万能试验机进行拉伸 试 验,试 验 温 度 为 24 ℃,结 果 均 符 合 GB/T 5310—2017对 12Cr1MoVG 钢 的 要 求,具 体 试 验 结果如表2所示。

1.5 硬度测试

在 爆 口 处 横 截 面 截 取 试 样,按 照 GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分: 试验方法》,采用 DuraScan-70型硬度计进行维氏硬 度测试,结果如表3所示,结果无明显异常。

1.6 金相检验

在过热器管爆口张口最大部位横截面截取试 样,经体积分数为 4% 的硝酸乙醇溶液侵蚀后,用 ZeissAxiovert200MAT 型光学显微镜进行观察, 依据标准 DL/T884—2019 《火电厂金相检验与评 定 技 术 导 则 》和 DL/T 773—2016 《火 电 厂 用 12Cr1MoV 钢球化评级标准》进行显微组织分析。 过热器管内壁无明显腐蚀减薄,外壁磨平位置 出现严 重 壁 厚 减 薄,爆 口 处 剩 余 金 属 壁 厚 不 足 1mm,爆口处晶粒无明显变形,爆口各部位显微组 织形貌如图6所示。过热器管壁厚减薄位置外壁光 滑且无明显氧化产物覆盖,过热器管组织为铁素体 +贝氏体,球化级别为2.5级,过热器管内、外壁均 有深度约为0.3mm 的脱碳层。 1.7 扫描电镜及能谱分析 在过热器管爆口张口最大部位(图4中的扫描 电镜及能谱分析位置1处)和减薄位置(扫描电镜及 能谱分析位置2处)截取试样,置于扫描电镜下观 察,结果如图7所示。在位置1处发现断口表面和 外壁表面均覆盖腐蚀产物及沉积物,无法看清表面 形貌,采用体积分数为5%的盐酸溶液清洗后,可见 断口具有韧窝特征,外壁表面可见明显磨损痕迹[见 图7a)~7b)]。对位置2外壁减薄表面进行观察, 可见明显的冲刷痕迹[见图7c)~7d)]。

对清洗前的试样外壁表面和断口表面进行能谱 分析,分析位置及结果如图8所示,从分析结果可 见,外壁表面(见谱图1)主要元素为碳、氧、钠、镁、 铝、硅、硫、氯、钾、钙、铬、铁,断口表面(见谱图2)主 要元素为碳、氧、钠、镁、铝、硅、硫、磷、氯、钾、钙、铬、 铁,说明表面主要为腐蚀产物和沉积物

2 综合分析

过热器管材料的化学成分和力学性能均无明显 异常。从宏观观察和壁厚测量结果可知:过热器管 爆管位置局部外壁接近磨平状态,局部剩余壁厚小 于2mm,该管段管壁其余侧壁厚无明显减薄,过热 器管内壁无明显腐蚀等异常,可见过热器管局部出 现了严重异常磨损减薄。过热器管的断口附近未发 现明显塑性变形,管径未见明显胀粗,无明显短时过 热或长时过热特征。分隔屏过热器位于2 # 锅炉前 炉膛正上方,尽管受炉膛内火焰直接辐射,其热负荷 比较高[5],但停机前未发现管壁超温。

由金相检验结果可知:过热器管组织为铁素体 +贝氏体,球化级别为2.5级,爆口处晶粒无明显变 形。过热器管材料的化学成分和力学性能均无明显 异常,表明该分隔屏过热器管的泄漏并不是材料不 合格或老化[6]引起的。过热器管减薄位置外壁无明 显氧化产物覆盖,表明该位置长期受磨损作用。采 用体积分数为5%的盐酸溶液清洗断口后,用扫描 电镜观察发现断口具有韧窝形貌特征,外壁表面可 见明显冲刷磨损痕迹,表明爆口局部接近磨平区域 为冲刷磨损所致。 过热器管爆管泄漏位置为从炉左往炉右数第2 大屏、从炉前往炉后数第3小屏最内侧弯管位置,正 常情况下该位置不易受到烟气局部严重冲刷。过热 器管外壁存在明显磨损痕迹,且过热器管爆裂处严 重减薄集中在小区域,磨平区域管段其余侧壁厚接 近原壁厚,为6.5mm,可见过热器管外壁局部受到 集中流体的强烈冲刷磨损。爆裂过热器管所在标高 位置,炉左右两侧均布置有吹灰器,且从炉左往炉右 数第2大屏、从炉前往炉后数第4小屏同一标高位 置过热器管也存在局部磨损情况。通过查阅锅炉资 料,可以计算出壁厚不应小于4.20mm,而爆裂处实 测剩余壁厚最小值为1.40mm。经分析可得出:部 分管段母材存在减薄现象,不满足强度使用要求,壁 厚的减薄会影响受热面管的强度[7],很多受热面管 爆管都是由于强度不足造成的。 综上分析,吹灰蒸汽及气流夹带的杂质等引起 过热器管局部严重冲刷减薄,剩余壁厚小于2mm, 从而导致过热器管吹损减薄部位承压能力不足,甚 至发生爆管泄漏。

3 结论与建议

该锅炉分隔屏过热器管受到吹灰蒸汽等冲刷, 使过热器管局部出现了严重的冲刷磨损减薄,管子 强度不够、承压能力不足,最终导致过热器管在运行 时发生爆裂泄漏。 建议严格按照 DL/T939—2016 《火力发电厂 锅炉受热面管监 督 技 术 导 则》等 要 求 对 分 隔 屏 过 热器进行检 查,检 查 过 热 器 管 附 近 吹 灰 器 是 否 存 在卡涩等运行异常情况;确认吹灰器的布置、吹灰 角度、吹灰频次和压力的设置等是否合理,必要时 进行合理调整;加强对分隔屏过热器管的防磨、防 爆检查,特别要对出列或位置特殊、容易吹损的过 热器管加防 磨 瓦 防 护,对 吹 灰 器 辐 射 区 域 的 过 热 器管进行超 声 测 厚,对 磨 损 或 吹 损 严 重 的 过 热 器 管进行更换。

来源：材料与测试网