晁 航1,徐玲媛1,黄荣攀2
(1.东方菱日锅炉有限公司,嘉兴 314001;2.江苏常隆管业有限公司,昆山 215345)
摘 要:采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、金相检验及能谱分析等方法对某余热锅 炉减温器12Cr1MoVG 钢喷管的开裂原因进行分析。结果表明:在减温器反复启停的过程中,流入 喷管内水的温度与管体的温差较大,使喷管承受较大的交变热应力,在内、外管壁形成热疲劳裂纹, 最终导致喷管发生开裂。
关键词:余热锅炉;减温器;12Cr1MoVG 钢;喷管;热疲劳裂纹 中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)10-0064-03
在某运行2a余热锅炉的停炉检修时,发现其 再热器部件的减温器喷管发生开裂。在余热锅炉的 运行过程中,由喷淋水来调节再热器蒸汽温度,以达 到余热锅炉主蒸汽温度的控制要求。该再热器减温 器 的 最 大 工 作 压 力 为 4.09 MPa,计 算 壁 温 为 555 ℃;喷 管 材 料 为 12Cr1MoVG 钢,规 格 为 89mm×13mm(外径×壁厚)。余热锅炉减温器结 构如图1所示。 12Cr1MoV 钢是国内高压、超高压、亚临界电站 锅炉过热器、集箱和主蒸汽管道的常用材料。该锅 炉主蒸汽管在540 ℃下安全运行10 6 h后,仍可继 续使用[1],喷管的工作压力和温度符合设计使用要 求。一些关于该材料的锅炉部件在运行中发生失效 的文献表明:有较多钢管长期工作在高温环境,其显 图1 余热锅炉减温器结构示意 微组织退化,晶粒内部分布有蠕变孔洞,使钢管的力 学性能降低,以及高温蒸汽环境下容易发生氧化腐 蚀和应 力 集 中,因 此 会 形 成 裂 纹 或 发 生 爆 管 问 题[2-4]。为了明确该余热锅炉减温器喷管发生开裂 的原因,笔者对其进行了一系列理化检验,最后制定 出改进方案。
1 理化检验
1.1 宏观观察
喷管的外表面有一条长约50mm 的横向裂缝, 位于喷管尾部(见图1)。沿周边切开管体,测得壁 厚为13.1~13.6 mm,基本无减薄,管体的内、外壁 无堆积的附着物,横向开裂贯穿管壁。从管体的内、 外壁向管壁心部垂直延伸多条平行短小裂纹,内壁 裂纹较外壁数量多,且管体中部的内壁有连成近似 网状的细小裂纹,开裂喷管的宏观形貌如图2所示。
1.2 化学成分分析
采用 OBLFGS-1000型直读光谱仪对喷管 进 行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知: 开裂喷管的化学成分符合标准 GB/T5310—2017 《高压锅炉用无 缝 钢 管》对 12Cr1MoVG 钢 的 技 术 要求。
1.3 力学性能测试
按照 GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验 第 1部分:室温试验方法》对试样进行室温拉伸试验,对 比开裂管体与出厂钢管的屈服强度和抗拉强度,结果 如表2所示。由表2可知:喷管管体受细小裂纹分布 的影响,管体强度相比出厂钢管有大幅降低。
1.4 金相检验
在 钢 管 开 裂 的 一 端 沿 纵 向 截 取 试 样,在 OLYMPUSGX51型光学显微镜下观察,结果如图 3所示。由图3可知:其显微组织为铁素体+珠光 体,球化级别为2级,未观察到蠕变孔洞,有多条从 管内、外壁垂直延伸入管壁心部的平行穿晶裂纹,内 部充满黑色异物。钢管的内、外壁有脱碳层,而心部 的裂纹两侧无脱碳层。
1.5 能谱分析
采用扫描电镜附带的能谱仪对金相检验试样上 裂纹内的黑色异物进行能谱(EDS)分析,结果如图 4所示,黑色异物主要为铁和氧元素,未见氯、钾、 钠、氮、硫等元素。
2 综合分析
由上述分析结果可知,开裂喷管的化学成分符 合标准 GB/T5310—2017的要求,管体内、外壁分 布有平行短小裂纹,从管内、外壁垂直延伸入管壁心 部。喷管的显微组织正常,球化不严重,未发现蠕变 孔洞,平行裂纹中充满黑色异物且两侧无脱碳层,从 能谱分析黑色异物的元素含量可判断该物质是铁的 氧化物,细小裂纹使管体强度与出厂钢管相比大幅 降低。该再热器减温器喷管的启停较频繁,当减温 器不启动时,喷管内无水流,其温度近似于外部的再 热蒸汽温度(500 ℃左右),而当减温器进行喷水调 节时,喷管内进入的水流温度为200℃左右,前后存 在约300℃的温差。相关文献表明:锅炉、蒸汽和燃 气轮机中的某些零部件在反复加热和冷却的温度循 环下,膨胀和收缩受到约束时,零件内部产生热应 力,温度反复变化,热应力也随着反复变化,从而使 金属材料受到疲劳损伤。表面热应变最大区域的应 力集中处经常萌生热疲劳裂纹,典型的表面疲劳裂 纹呈龟裂状,裂纹内充满氧化物。裂纹源一般有几 个,在热循环过程中,有些裂纹发展形成主裂纹。裂 纹扩展方向垂直于表面,并向纵深扩展[5-6]。 由此分析推断:该喷管的内、外壁细小裂纹属于 热疲劳裂纹,特别是管内壁直接接触温度较低的水 流,产生的裂纹比外壁更多;另外,由于喷管较长,其 尾部直接插入固定装置,且有安装配合间隙,在再热 蒸汽的作用下,插入段会有微小振动,这加速了管外 壁的热疲劳裂纹扩展,使喷管尾部与固定装置的交 界处最先开裂。
3 结论与建议
该余热锅炉减温器喷管开裂的原因是:其运行 前后管体温差较大,使其承受较大的交变热应力,在 环冲击载荷,在螺纹根部脱碳层的晶界弱化区产生 微裂纹,并逐渐扩展直至最后发生疲劳断裂[13-15]。
文章来源：材料与测试网