分享：某超超临界机组锅炉末级过热器钢管泄漏原因分析
摘 要:某电厂超超临界清洁高效燃煤发电机组锅炉钢管发生泄漏.采用宏观检查、化学成分 分析、拉伸试验、硬度测试及金相检验等方法对钢管泄漏原因进行了分析.结果表明:末级过热器 钢管因被异物堵塞而处于超温运行状态,使钢管的力学性能劣化,进而导致钢管的承压能力下降, 在内压应力作用下,钢管的蠕变速率加快,其表面萌生出蠕变裂纹,最终导致钢管发生泄漏.
关键词:超超临界机组;末级过热器;泄漏;蠕变裂纹;过热
中图分类号:TK２２３．３ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００３８Ｇ０３
某电 厂 超 超 临 界 清 洁 高 效 燃 煤 发 电 机 组(锅 炉型号 为 HGＧ３１１８/２９．３ＧYM６)在 运 行 １１２h后, 其锅炉末级过热器的钢管发生泄漏.该钢管材料 为 SAＧ２１３S３０４３２ 不 锈 钢,规 格 为 ?４４．５ mm× １１mm,设 计 温 度 为 ６４０ ℃,蒸 汽 压 力 为 ３１．４ MPa.该 末 级 过 热 器 的 进 出 口 温 度 分 别 为 ５５２ ℃和６３０ ℃,进出口 压 力 分 别 为 ３１．４ MPa和 ３０．７ MPa.为 查 明 泄 漏 发 生 的 原 因,笔 者 对 失 效 钢管进行了理化检验和分析[１Ｇ２].
１ 理化检验
１．１ 宏观检查
现场检查发现末级过热器管左数第２屏后数 第９根钢管发生泄漏,失效钢管的位置如图１所示, 宏观形貌和图２所示.由图２可见,失效钢管的爆口 呈鱼嘴状,爆口长度为１４０mm,宽度为２０mm,其边 缘较粗糙且厚度最薄处为９．６８mm.爆口附近钢管 外表面有平行于管轴的蠕变裂纹,具有不锈钢管过热 爆管的宏观形貌特征[３Ｇ５].失效管段发生了扭曲变 形,除了爆口部位,其他管段内外壁表面光滑,未见轧 制、折叠、重皮、裂纹、结疤和离层等缺陷.对失效管 段远离爆口且未扭曲变形处(图２中 A 位置)与爆口处(图２中B位置)的外径进行测量并计算其胀粗率, 结果如表１所示,可见爆口处管段的外径及胀粗率较 大,远离爆口的管段的外径及胀粗率较小.
１．２ 化学成分分析
从失效钢 管 (图 ２ 中 的 ３ 号 位 置)上 取 样,用 OBLFQSNＧ７５０型直读光谱仪对试样进行化学成 分分析,结果如表２所示.可见失效钢管的化学成 分符合 ASMESAＧ２１３/SAＧ２１３M«锅 炉、过 热 器 和 换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管子»对 SAＧ ２１３S３０４３２不锈钢成分的技术要求.
１．３ 拉伸试验
按 照 ASTM E８/E８M －１６aStandard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials,从失效钢管(图２中的１号位置)截取纵 向圆棒状拉伸试样,采用 CSSＧ２７９５型电子拉伸试 验机对试样进行室温拉伸试验,结果如表３所示. 可见试样的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均满 足 ASME SAＧ２１３/SAＧ２１３M 对 SAＧ２１３S３０４３２ 不 锈钢的技术要求.
１．４ 硬度测试
按照 ASTM E１０－１８StandardTestMethod forBrinellHardnessof MetallicMaterials,从失 效钢管(图２中２号位置)上取样,采用 HBＧ３０００C 型布氏硬度仪对试样进行布氏硬度测试.得到失效 钢管的硬度为１６７HBW,在DL/T４３８－２０１６«火力 发电厂金属技术监督规程»要求的１５０~２１９ HBW 范围内.
１．５ 金相检验
从失效钢管的爆口处(图２中３号位置)和远离 爆口处(图２中４号位置)分别截取金相试样,试样 经打磨、抛光处理后,用盐酸苦味酸酒精溶液(５mL 盐酸＋１g苦味酸＋１００mL 酒精)浸蚀,使用 Zeiss Axiovert２００ MAT 型光学显微镜进行观察.由图 ３可见,失效钢管的爆口处与远离爆口处的显微组 织均 为 奥 氏 体 ＋ 大 量 沿 晶 界 和 晶 内 析 出 的 碳 化 物[６],晶界�：椅醇暇ё橹�.爆口处显微组织 中有蠕变微裂纹.
２ 分析与讨论
由宏观检查结果可知,失效钢管爆口处符合不 锈钢管过热爆管的宏观形貌特征.由金相检验结果 可知,失效钢管爆口处与远离爆口处的显微组织为 奥氏体＋大量沿晶界和晶内析出的碳化物,爆口处 显微组织中有微观蠕变裂纹,符合不锈钢管过热爆 管的微观形貌特征[７].综上,可判断该末级过热器 钢管在运行期间出现过热导致其显微组织中晶界与 晶内析出大量碳化物,使钢管的力学性能劣化,进而 导致钢管承压能力下降,在内压应力作用下,钢管的 蠕变速率加快并萌生出蠕变裂纹,最终导致该末级 过热器钢管发生泄漏.
该超超临界清洁高效燃煤发电机组为新建机 组,运行时间仅为１１２h.末级过热器在试运行期 间较短时间内发生过热爆管的原因一般为:钢管局 部被异物阻塞;末级过热器入口集箱处节流孔圈阻 塞;钢管局部热负荷偏高等.为查明失效钢管出现 过热爆管的原因,现场调取该末级过热器出口温度 的变化曲线,发现与失效管段同屏相邻位置的管段 以及相邻管屏同位置的管段出口温度未超过６４０℃ (没有超温现象),而失效管段出口温度持续上升到 约６６０ ℃并在该温度下保持了６．５h(出现超温现 象),比其同屏相邻位置管段以及相邻管屏同位置管段的出口温度高出６０℃,由于局部热负荷偏高的情 况不会只出现在一根管段,由此可排除钢管局部热 负荷偏高的因素.
对该末级过热器管屏、末级过热器入口集箱以 及出口集箱的钢管内部进行清洁度检查后,发现在 末级过热器第３５,３７屏的钢管内有电厂基建安装时 的遗留物,而在其他管屏的钢管、末级过热器入口集 箱和出口集箱内均未发现异物.由此推测该末级过 热器发生过热爆管是因为钢管被异物阻塞,导致其 工质流量减小,管壁温度升高,使钢管处于超温状态 而发生过热爆管.由于爆管时高速气流产生的瞬间 冲击力很大,极有可能将异物从爆口处吹出,因而在 失效钢管内未发现阻塞物[７].
３ 结论及建议
超超临界清洁高效燃煤发电机组在运行期间, 其锅炉末级过热器钢管因被异物堵塞而处于超温运 行状态,使钢管的力学性能劣化、承压能力下降,钢 管的蠕变速率加快,其表面萌生出蠕变裂纹,最终导 致钢管发生泄漏.
建议在电厂基建阶段加强包括末级过热器集箱 在内锅炉的清洁度检查,防止异物阻塞导致锅炉钢 管过热.同时,电厂应对发生泄漏的末级过热器管 屏的其他部位进行排查,检查其他钢管是否经历过 热运行而在其外壁产生了蠕变裂纹,以消除影响锅 炉安全运行的隐患.
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