摘 要:某電廠超超臨界清潔高效燃煤發電機組鍋爐鋼管發生泄漏.采用宏觀檢查、化學成分 分析、拉伸試驗、硬度測試及金相檢驗等方法對鋼管泄漏原因進行了分析.結果表明:末級過熱器 鋼管因被異物堵塞而處于超溫運行狀態,使鋼管的力學性能劣化,進而導致鋼管的承壓能力下降, 在內壓應力作用下,鋼管的蠕變速率加快,其表面萌生出蠕變裂紋,最終導致鋼管發生泄漏.
關鍵詞:超超臨界機組;末級過熱器;泄漏;蠕變裂紋;過熱
中圖分類號:TK２２３．３ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００３８Ｇ０３
某電 廠 超 超 臨 界 清 潔 高 效 燃 煤 發 電 機 組(鍋 爐型號 為 HGＧ３１１８/２９．３ＧYM６)在 運 行 １１２h后, 其鍋爐末級過熱器的鋼管發生泄漏.該鋼管材料 為 SAＧ２１３S３０４３２ 不 銹 鋼,規 格 為 ?４４．５ mm× １１mm,設 計 溫 度 為 ６４０ ℃,蒸 汽 壓 力 為 ３１．４ MPa.該 末 級 過 熱 器 的 進 出 口 溫 度 分 別 為 ５５２ ℃和６３０ ℃,進出口 壓 力 分 別 為 ３１．４ MPa和 ３０．７ MPa.為 查 明 泄 漏 發 生 的 原 因,筆 者 對 失 效 鋼管進行了理化檢驗和分析[１Ｇ２].
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀檢查
現場檢查發現末級過熱器管左數第２屏后數 第９根鋼管發生泄漏,失效鋼管的位置如圖１所示, 宏觀形貌和圖２所示.由圖２可見,失效鋼管的爆口 呈魚嘴狀,爆口長度為１４０mm,寬度為２０mm,其邊 緣較粗糙且厚度最薄處為９．６８mm.爆口附近鋼管 外表面有平行于管軸的蠕變裂紋,具有不銹鋼管過熱 爆管的宏觀形貌特征[３Ｇ５].失效管段發生了扭曲變 形,除了爆口部位,其他管段內外壁表面光滑,未見軋 制、折疊、重皮、裂紋、結疤和離層等缺陷.對失效管 段遠離爆口且未扭曲變形處(圖２中 A 位置)與爆口處(圖２中B位置)的外徑進行測量并計算其脹粗率, 結果如表１所示,可見爆口處管段的外徑及脹粗率較 大,遠離爆口的管段的外徑及脹粗率較小.
１．２ 化學成分分析
從失效鋼 管 (圖 ２ 中 的 ３ 號 位 置)上 取 樣,用 OBLFQSNＧ７５０型直讀光譜儀對試樣進行化學成 分分析,結果如表２所示.可見失效鋼管的化學成 分符合 ASMESAＧ２１３/SAＧ２１３M«鍋 爐、過 熱 器 和 換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子»對 SAＧ ２１３S３０４３２不銹鋼成分的技術要求.
１．３ 拉伸試驗
按 照 ASTM E８/E８M －１６aStandard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials,從失效鋼管(圖２中的１號位置)截取縱 向圓棒狀拉伸試樣,采用 CSSＧ２７９５型電子拉伸試 驗機對試樣進行室溫拉伸試驗,結果如表３所示. 可見試樣的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均滿 足 ASME SAＧ２１３/SAＧ２１３M 對 SAＧ２１３S３０４３２ 不 銹鋼的技術要求.
１．４ 硬度測試
按照 ASTM E１０－１８StandardTestMethod forBrinellHardnessof MetallicMaterials,從失 效鋼管(圖２中２號位置)上取樣,采用 HBＧ３０００C 型布氏硬度儀對試樣進行布氏硬度測試.得到失效 鋼管的硬度為１６７HBW,在DL/T４３８－２０１６«火力 發電廠金屬技術監督規程»要求的１５０~２１９ HBW 范圍內.
１．５ 金相檢驗
從失效鋼管的爆口處(圖２中３號位置)和遠離 爆口處(圖２中４號位置)分別截取金相試樣,試樣 經打磨、拋光處理后,用鹽酸苦味酸酒精溶液(５mL 鹽酸＋１g苦味酸＋１００mL 酒精)浸蝕,使用 Zeiss Axiovert２００ MAT 型光學顯微鏡進行觀察.由圖 ３可見,失效鋼管的爆口處與遠離爆口處的顯微組 織均 為 奧 氏 體 ＋ 大 量 沿 晶 界 和 晶 內 析 出 的 碳 化 物[６],晶界模糊且未見孿晶組織.爆口處顯微組織 中有蠕變微裂紋.
２ 分析與討論
由宏觀檢查結果可知,失效鋼管爆口處符合不 銹鋼管過熱爆管的宏觀形貌特征.由金相檢驗結果 可知,失效鋼管爆口處與遠離爆口處的顯微組織為 奧氏體＋大量沿晶界和晶內析出的碳化物,爆口處 顯微組織中有微觀蠕變裂紋,符合不銹鋼管過熱爆 管的微觀形貌特征[７].綜上,可判斷該末級過熱器 鋼管在運行期間出現過熱導致其顯微組織中晶界與 晶內析出大量碳化物,使鋼管的力學性能劣化,進而 導致鋼管承壓能力下降,在內壓應力作用下,鋼管的 蠕變速率加快并萌生出蠕變裂紋,最終導致該末級 過熱器鋼管發生泄漏.
該超超臨界清潔高效燃煤發電機組為新建機 組,運行時間僅為１１２h.末級過熱器在試運行期 間較短時間內發生過熱爆管的原因一般為:鋼管局 部被異物阻塞;末級過熱器入口集箱處節流孔圈阻 塞;鋼管局部熱負荷偏高等.為查明失效鋼管出現 過熱爆管的原因,現場調取該末級過熱器出口溫度 的變化曲線,發現與失效管段同屏相鄰位置的管段 以及相鄰管屏同位置的管段出口溫度未超過６４０℃ (沒有超溫現象),而失效管段出口溫度持續上升到 約６６０ ℃并在該溫度下保持了６．５h(出現超溫現 象),比其同屏相鄰位置管段以及相鄰管屏同位置管段的出口溫度高出６０℃,由于局部熱負荷偏高的情 況不會只出現在一根管段,由此可排除鋼管局部熱 負荷偏高的因素.
對該末級過熱器管屏、末級過熱器入口集箱以 及出口集箱的鋼管內部進行清潔度檢查后,發現在 末級過熱器第３５,３７屏的鋼管內有電廠基建安裝時 的遺留物,而在其他管屏的鋼管、末級過熱器入口集 箱和出口集箱內均未發現異物.由此推測該末級過 熱器發生過熱爆管是因為鋼管被異物阻塞,導致其 工質流量減小,管壁溫度升高,使鋼管處于超溫狀態 而發生過熱爆管.由于爆管時高速氣流產生的瞬間 沖擊力很大,極有可能將異物從爆口處吹出,因而在 失效鋼管內未發現阻塞物[７].
３ 結論及建議
超超臨界清潔高效燃煤發電機組在運行期間, 其鍋爐末級過熱器鋼管因被異物堵塞而處于超溫運 行狀態,使鋼管的力學性能劣化、承壓能力下降,鋼 管的蠕變速率加快,其表面萌生出蠕變裂紋,最終導 致鋼管發生泄漏.
建議在電廠基建階段加強包括末級過熱器集箱 在內鍋爐的清潔度檢查,防止異物阻塞導致鍋爐鋼 管過熱.同時,電廠應對發生泄漏的末級過熱器管 屏的其他部位進行排查,檢查其他鋼管是否經歷過 熱運行而在其外壁產生了蠕變裂紋,以消除影響鍋 爐安全運行的隱患.
參考文獻:
[１] 陳現景,張守鵬,唐孔科,等．鍋爐水冷卻管爆裂原因 分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１０,４６(５):３３７Ｇ３３９．
[２] 李憲爽．某亞臨界機組鍋爐末級過熱器泄漏原因分 析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１９,５５(１):５６Ｇ５８．
[３] 晏嘉陵．６００MW 超臨界電站鍋爐末級過熱器管爆裂 失效分 析 [J]．理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),２０１７,５６(６): ４４５Ｇ４４８．
[４] 張磊,廉根寬．電站鍋爐四管泄漏分析與治理[M]．北 京:水利水電出版社,２００９．
[５] 蒙新明,張路,賴云亭,等．某超臨界機組鍋爐過熱器 管爆管原因分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１５,５１ (５):３５３Ｇ３５７．
[６] 楊富,章應霖,任永寧,等．新型耐熱鋼焊接[M]．北 京:中國電力出版社,２００６．
[７] 肖國華,李益民,王理博．超超臨界機組鍋爐末級過 熱器爆管原因分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１１, ４７(４):２４５Ｇ２４７．