分享：亚临界机组锅炉末级过热器钢管泄漏原因分析

摘 要:某电厂亚临界机组锅炉末级过热器钢管在原定位滑块焊接处发生泄漏.采用宏观检 验、力学性能试验、金相检验、扫描电镜以及能谱分析等方法对钢管泄漏原因进行了分析.结果表 明:焊接工艺执行不当造成钢管在焊接定位滑块时局部管壁组织发生相变,钢管热影响区在长期运 行后抗蠕变性能下降是导致钢管在运行时发生泄漏的主要原因. 

关键词:钢管;末级过热器;热影响区;泄漏;焊接 

中图分类号:TM６２１．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６５０Ｇ０３ 

某电厂二期６６０ MW 机组锅炉为亚临界自然 循环汽包炉,２０１８年２月１日,该电厂５号锅炉炉 膛泄漏报警,给水流量异常增大,停机检查发现其末 级过热器出口距顶棚约２m 处发生泄漏,如图１所 示.过 热 器 钢 管 材 料 为 SA２１３T９１ 钢,规 格 为 ?４５．０mm×５．２ mm. 锅 炉 累 计 运 行 时 间 约 １４００００h,共启停９１次.为了查明过热器发生泄 漏的原因,笔者对其进行了理化检验及分析. 

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

现 场 检 查 发 现 末 级 过 热 器 左 数 第５屏 前 数 第４４,４５,４８,４９根、左数第６屏前数第４１,４３,４４根共 计７根钢管发生泄漏.由图２可见,左数第５屏前 数第４９根(编号为５Ｇ４９,其他钢管编号方式相同)钢 管的爆口呈鱼嘴状撕裂,未出现明显吹损减薄,推测 为初始爆口.泄漏蒸汽的冲刷将周围６根钢管的管壁吹损减薄,在内压力作用下发生二次泄漏.将５Ｇ ４９号钢管沿纵向剖开后观察,发现钢管内壁表面的 爆口长度约７０mm,宽度约６mm,爆口周围没有明 显的蠕变裂纹,钢管内壁氧化皮较厚,局部氧化皮出 现开裂、脱落. 

１．２ 力学性能分析 

由检修资料得知,该末级过热器管在技改时曾 切除５Ｇ４９号钢管原定位滑块(材料为 T９１钢),将泄 漏位置标高处定位滑块整体下移.在５Ｇ４９号钢管 上分别截取管段１(距顶棚１m)和管段２(原定位滑 块焊接处)进行压扁试验,结果发现管段１压扁后, 其外壁未出现明显裂纹,压扁试验合格;管段２压扁 后,在原定位滑块焊接处出现了裂纹,压扁试验不合 格,如图３所示. 

１．３ 金相分析

将图２b)中的钢管沿横向切成钢片,分别在钢 片爆口中间、爆口１/４处以及爆口边缘截取金相试 样,试样截取位置如图２a)所示,分别记为１,２,３号试样.

在光学显微镜下观察发现,１号和２号试样的 相变区内为粗大的针状马氏体组织,热影响区内为 回火马氏体,如图４a)和图４b)所示;３号试样的热 影响区内为回火马氏体,与母材有轻微差异;热影响 区边缘组织中出现粗晶带,爆口沿该粗晶带由外壁 向内壁扩展[１],如图４c)所示. 

１．４ 扫描电镜及能谱分析 

在 ５Ｇ４９ 号 钢 管 爆 口 处 取 样 进 行 扫 描 电 镜 (SEM)分析,结果如图５所示,可见爆口裂纹周围 有少量蠕变孔洞,裂纹尖端存在氧化层,这表示爆口 裂纹的萌生和扩展经历了较长时间.

１．５ 显微硬度分析 

在技改时与５Ｇ４９号钢管做过相同处理的５Ｇ４６ 号钢管的 轻 微 受 损 处 截 取 硬 度 试 样,沿 着 如 图 ６ 所示的方向,即 相 变 区 → 热 影 响 区 → 母 材 的 顺 序 取３０个点进行显微硬度测试.从图７可以看出,

从相变区到 母 材,显 微 硬 度 呈 现 先 增 后 降 再 增 的 趋势.这是 因 为 焊 接 时 相 变 区 输 入 热 量 较 高,超 过了奥氏体 化 温 度,冷 却 后 形 成 硬 度 较 高 的 针 状 马氏体,其显微硬度最 高 达 到 ２５２ HV;而 热 影 响 区虽然焊接 时 温 度 未 超 过 相 变 温 度,但 仍 然 存 在 过热,属于 不 完 全 正 火,造 成 显 微 硬 度 下 降(最 低 仅为１９８HV),局部甚至产生了粗晶带,抗蠕变性 能下降;远离 热 影 响 区 的 母 材 在 焊 接 时 输 入 热 量 较小,组织 变 化 不 大,仍 然 保 持 原 有 的 硬 度;靠 近 焊接热影响 区 边 缘 处 的 硬 度 最 低,这 也 与 爆 口 沿 着热影响区扩展的现象吻合. 

１．６ 氧化皮检测分析

在５Ｇ４９,５Ｇ５０,５Ｇ４６号钢管内壁取样,采用金相 法分别测量试样的氧化皮厚度.结果显示５Ｇ４９,５Ｇ ５０,５Ｇ４６ 钢 管 内 壁 的 氧 化 层 厚 度 分 别 为 ５４８．２６, ５１３．５６,４２５．１５μm. 

２ 分析与讨论 

从压扁试验可知在原定位滑块处钢管的力学性能 不合格,通过金相分析观察到５Ｇ４９号钢管焊接热影响 区边缘的组织中出现了粗晶带,爆口沿该粗晶带由管 外壁向内壁扩展开裂,这表明该段管材原定位滑块焊 接时焊接热输入过大导致局部发生相变.扫描电镜观 察到裂纹周围存在少量蠕变孔洞,这说明部分原定位 滑块处钢管长期运行后显微组织出现老化现象.

通过金相分析观察到５Ｇ４９号钢管焊接热影响 区边缘的组织中出现粗晶带,爆口沿该粗晶带由钢 管外壁向内壁扩展直至开裂.

从管外氧化皮情况看,末级过热器５Ｇ４９号钢管 的氧化层最厚,氧化程度比其他钢管的严重.根据 氧化动力学原理,过热器钢管内壁氧化皮的增长厚 度与其 在 服 役 期 内 的 当 量 金 属 温 度 有 一 定 的 关 系[２Ｇ３],而钢管的当量金属温度可按 Laborelec经验 公式[４Ｇ５]计算

式中:T 为金属温度;a,b 为特定材料常数;t 为钢 管已运行时间,此处按１４００００h计算;x 为钢管内 壁氧化层厚度.

根据式(１)计算得到末级过热器出口段钢管管 壁的当量温度为 ６０７~６２２ ℃,按照 DL/T７１５－ ２０１５«火力发电厂金属材料选用导则»,SA２１３T９１ 钢管材料的推荐使用温度不大于６１０ ℃,由此可推 测末级过热器５Ｇ４９号钢管运行的当量温度已接近 或超过材料的推荐使用温度. 

３ 结论及建议 

现场检查及理化检验分析结果表明,锅炉末级 过热器发生泄漏的初始位置为５Ｇ４９号钢管原定位 滑块焊接处,由于焊接时热输入过大,造成钢管管壁 局部发生相变且晶粒粗大,在长期过热运行后,钢管 焊接热影响区抗蠕变性能下降,最终在热影响区边 缘产生裂纹并扩展.

建议加强锅炉受热面焊件的焊接质量控制,制 定合理的焊接工艺,并进行焊接质量检查,及时发现 并消除缺陷,以确保锅炉长期安全稳定运行.

参考文献: 

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[２] 黄兴德,周新雅,游喆,等．超(超)临界锅炉高温受热 面蒸汽 氧 化 皮 的 生 长 与 剥 落 特 性 [J]．动 力 工 程, ２００９,２９(６):６０２Ｇ６０８． 

[３] 包文东,郑坊平,崔雄华,等．超临界锅炉末级过热器 T９１钢管爆管原因分析及其预防措施[J]．理化检验 (物理分册),２０１２,４８(１０):７０４Ｇ７０７． 

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[５] 蒙新明,张路,赖云亭,等．某超临界机组锅炉过热器 管爆管原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１５,５１ (５):３５３Ｇ３５７．

文章来源——材料与测试网