马芹征

(苏州热工研究院有限公司,苏州 215004)

摘 要:某余热发电锅炉低温过热器连接弯头在运行三个月后发生开裂。采用宏观观察、化学 成分分析、硬度测试、金相检验和能谱分析等方法,分析了连接弯头开裂的原因。结果表明:该连接 弯头开裂的原因是在锅炉安装后的煮炉过程中,碱液进入过热器,并在连接弯头内表面焊缝处聚 集、浓缩,在较高的温度及管道自重、汽水振动、热应力和结构应力的共同等多种应力作用下,连接 弯头焊缝处发生碱脆开裂。

关键词:余热发电锅炉;过热器;碱液;碱脆开裂

中图分类号:TG111.91 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)03-0041-04

近年来,随着中国经济的快速发展,国内能源消 耗逐步上升,在化工、建材等诸多领域产生了大量的 废热资源,造成了严重的资源浪费。余热发电技术 是一种将生产过程中产生的余热回收利用,并转化 为电能的技术。余热发电不仅能节约能源,还有利 于环境保 护,是 国 家 实 行 节 能 减 排 的 重 要 技 术 措 施[1-2]。余热发电锅炉是余热发电系统中重要的组 成部分,余热发电锅炉及其附属设备的正常运行对 整个余 热 发 电 系 统 的 循 环 工 作 起 到 至 关 重 要 的 作用。

某建材公司水泥窑生产线余热发电锅炉配套了 一台9MW 的低参数混压纯凝气式汽轮发电机组, 锅炉安装并煮炉完成后投入试运行,仅运行三个月 后,发现余热发电锅炉低温过热器出口集箱连接弯 头及附近多个部件出现开裂。依据 GB/T3087- 2008《低中压锅炉用无缝钢管》标准,集箱及周边管 件采用的材料均为20号钢。为查找连接弯头及附 近部件的开裂原因,避免该类问题的再次发生,笔者 对一处裂纹较多的连接弯头进行了一系列检验和 分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

如图1所示:连接弯头母材外表面和内表面均有多条较长的裂纹,裂纹主要位于焊缝附近及弯头 母材处分布较为曲折,但大致平行于焊缝且呈环状 分布;弯头外表面焊缝处有大块补焊痕迹,补焊处也 有较长的裂纹;可见裂纹萌生于弯头侧母材内表面, 并由弯头内表面向外表面扩展。

1.2 化学成分分析

在开裂连接弯头裂纹附近弯头侧母材处截取试 样,对其进行化学成分分析。如表1所示,弯头母材 的化学成分均符合标准 GB/T3087-2008对20号 钢的技术要求。

1.3 硬度测试

GB/T3087-2008标准仅对20号钢的拉伸性 能做出规定,但开裂连接弯头壁厚较薄,不易截取拉 伸试样。因此,对开裂连接弯头的焊缝、弯头侧母材 和集 箱 侧 母 材 进 行 硬 度 测 试,依 据 GB/T1172- 1999《黑色金属硬度及强度换算值》,将硬度换算成 抗拉强度。如表2所示,连接弯头的焊缝、弯头侧母 材、集箱侧母材的硬度相差较小,换算成的焊缝和弯 头侧母材的抗拉强度分别为520 MPa和491 MPa, 该结果符合 GB/T3087-2008标准对20号钢抗拉 强度的技术要求(410~550MPa)。

1.4 金相检验

在开裂连接弯头的焊接接头处截取试样,对其内 表面进行显微组织观察。如图2所示:开裂连接弯头 焊缝两侧母材的组织均为铁素体+珠光体,弯头侧母 材的珠光体组织较为细小,铁素体发生了轻微的拉长 变形;集箱侧母材的铁素体呈等轴状;弯头侧熔合区 及焊缝未见明显气孔、夹渣、热裂纹等焊接缺陷;弯头 侧热影响区晶粒较粗大,可见少量魏氏组织。 如图3所示:焊接接头母材内表面裂纹扩展路 径较曲折,主裂纹边缘有较多二次裂纹,裂纹均沿晶 界扩展;焊缝处裂纹呈曲折状,主裂纹边缘有较多沿 晶界扩展的二次裂纹。

1.5 能谱分析

将开裂连接弯头沿裂纹断开后,对其断口进行 能谱分析。如图4所示,断口表面主要成分为铁的 氧化物,且含一定量的钠和磷元素。

2 分析与讨论

弯头 侧 母 材 的 化 学 成 分 符 合 GB/T 3087- 2008标准中对20号钢的技术要求,焊缝与其两侧 母材的硬度都较为均匀,通过硬度换算成的抗拉强 度符合 GB/T3087-2008标准对20号钢的技术要 求,开裂连接弯头的显微组织也未见明显异常。综 上所述,连接弯头开裂与其材料无关,大部分裂纹均 位于补焊处弯头侧母材,无补焊处弯头侧母材也有 较长的裂纹,因此可排除弯头开裂与其外表面补焊 有关。

通过金相检验结果可知,起裂位置在弯头侧母 材内表面,并向外表面扩展,焊缝内表面及弯头侧母 材区域的主裂纹边缘均有较多的二次裂纹,裂纹均 沿晶界扩展,这与碳钢和低合金钢“碱脆”裂纹的典 型特征相一致[3-5]。通过能谱分析可知,将连接弯头 沿裂纹断开后,发现其断口表面存在一定含量的钠 和磷元素,在锅炉试运行前,需使用氢氧化钠和磷酸三钠进行煮炉,由此得知,钠和磷元素可能来源于煮 炉过程中加入的碱液。

常温环境中,碳钢与碱液(NaOH)反应生成的 腐蚀产物[Fe(OH)3]在碱液中的溶解度很低[6],能 牢固覆盖在碳钢表面,从而避免碳钢被进一步腐蚀。 在较高温度和一定应力的共同作用下,碳钢或低合 金钢在碱液中会发生应力腐蚀开裂,这种应力腐蚀 开裂称为碱脆开裂,即苛性脆化。碱脆是一种特殊 的电化学腐蚀,其反应方程式如式(1)所示[7-8]。 3Fe+4H2O → Fe3O4 +4H2 (1)

该腐蚀过程一般发生在金属表面应力集中处或 发生电化学腐蚀的沟槽处,溶液沿氧化膜裂缝处进 入内部与金属基体发生反应,在氧化膜破损处重新 形成 Fe3O4 氧化膜,氧化膜在应力 作 用 下 发 生 破 损,如此往复,该过程使应力腐蚀裂纹不断扩展。同 时,裂纹两侧金属晶粒内部和晶界存在一定的电位 差,晶界电位比晶粒内部电位低得多,从而使晶界作 为阳极进一步被氧化,这也促进了裂纹的扩展。

碳钢和低合金钢发生碱脆开裂,必须满足的3 个基本条件,即较高浓度的 NaOH 溶液、一定的拉 伸应力和较高的温度[9-10]。一般认为,碱脆开裂在 溶液沸点附近时最容易发生,温度低于46℃时一般 不发生[11-14]。溶液中的 NaOH 浓度很低时,在高温 环境中,NaOH 可能会在缝隙或粗糙的金属表面聚 集、浓缩,增大了材料的碱脆开裂敏感性。

该连接弯头发生应力碱脆开裂是在锅炉煮炉过 程中碱液进入过热器导致的。在煮炉过程中,碱液 进入过热器,在较高煮炉温度以及管道自重、汽水振 动、热应力和结构应力等多种应力的共同作用下,连 接弯头焊缝处发生碱脆开裂。

3 结论及建议

(1)余热发电锅炉低温过热器出口集箱连接弯 头的开裂原因是锅炉安装后的煮炉过程中,碱液进 入了过热器内部,在连接弯头内表面缝隙处聚集、浓 缩,在较高的温度以及管道自重、汽水振动、热应力 和结构应力等多种应力的共同作用下,连接弯头焊 缝处发生碱脆开裂。

(2)根据碱液进入过热器后的流动方向,在该 开裂连接弯头附近管段进行超声波、射线检测,检查 存在裂纹的区域,并对存在裂纹的管段进行更换,避 免裂纹在后续锅炉运行过程中发生扩展,引起管子 开裂。此外,根据裂纹存在区域的大小,对开裂连接 弯头附近管段内壁进行冲洗,以降低管段内壁的碱 含量。

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