省煤器位于煙道尾部,管外部運(yùn)行條件包含煙氣、飛灰和積灰,管內(nèi)部運(yùn)行條件包含未飽和水[1]。省煤器管的材料一般為低碳鋼、合金鋼、不銹鋼等,這些材料中還添加了一些合金元素,如鉻、鉬、鎳等,以提高管子的耐腐蝕性、強(qiáng)度和耐磨性。省煤器管通常為無(wú)縫鋼管,在制造過(guò)程中,還會(huì)對(duì)其進(jìn)行熱處理、冷卻處理等工藝,以進(jìn)一步提高管子的性能。煤器管的失效形式有磨損、缺陷、腐蝕等,其中磨損的問(wèn)題較為嚴(yán)重,主要為飛灰磨損,其次是碰觸磨損,另外還有局部防磨瓦、阻流板造成的渦流等。在這些因素的綜合作用下,部件的表面狀態(tài)、組織性能會(huì)逐漸劣化,嚴(yán)重時(shí)可使部件的薄弱部位產(chǎn)生磨損、腐蝕減薄、裂紋等危害性缺陷,最終導(dǎo)致爆管[2－8]。近年來(lái),我國(guó)大型火電機(jī)組因“四管”爆漏引起的停機(jī)時(shí)間占機(jī)組非計(jì)劃停用時(shí)間的40%,占鍋爐設(shè)備非計(jì)劃停用時(shí)間的70%[9]。因此,減少鍋爐受熱面管的爆管次數(shù)、縮短非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間是提高鍋爐運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。某火力發(fā)電有限責(zé)任公司省煤器管發(fā)生爆管事故,其已運(yùn)行73 290 h。該鍋爐型號(hào)為HG－2145/25.4－YM12,為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行、帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐。該鍋爐為π型布置、單爐膛、尾部雙煙道、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu),其燃燒器前后墻布置、對(duì)沖燃燒。省煤器出口設(shè)計(jì)工作溫度小于350 ℃,設(shè)計(jì)工作壓力小于31 MPa。 

爆管為省煤器出口集箱引入彎管(管樣1)及其下方與之對(duì)應(yīng)的直管(管樣2)。鍋爐管材料為SA－210C碳錳鋼,規(guī)格(外徑×壁厚)為44.5 mm×6.7 mm。管樣1與管樣2在爐膛中的相對(duì)布置位置如圖1所示。 

圖  1  管樣1與管樣2在爐膛中的相對(duì)布置位置

筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)爆管原因進(jìn)行分析,以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察及壁厚測(cè)量

管樣1的整體和局部宏觀形貌如圖2所示。 

圖  2  管樣1的整體和局部宏觀形貌

管樣1爆口位于彎頭背弧面中心處,開(kāi)口長(zhǎng)度為29.67 mm,開(kāi)口寬度為14.11 mm。爆口附近管徑無(wú)明顯脹粗,爆口邊緣壁厚減薄明顯,爆口附近管子表面光滑,呈紅褐色,且存在明顯銹蝕,遠(yuǎn)離爆口處管子外表面起伏不平,覆蓋有較厚的紅棕色銹蝕產(chǎn)物。對(duì)爆口邊緣附近管子橫截面及兩側(cè)直管段壁厚進(jìn)行測(cè)量,以外彎為0點(diǎn)方向,順時(shí)針選取4點(diǎn)位置(見(jiàn)圖3)依次測(cè)量壁厚,結(jié)果如表1所示。測(cè)量結(jié)果顯示：爆口邊緣外弧面最薄處壁厚為1.11 mm,減薄量為83.43%；爆口兩側(cè)直管段壁厚接近公稱壁厚,未發(fā)現(xiàn)明顯減薄現(xiàn)象。 

圖  3  管樣1壁厚測(cè)量位置示意

選取爆口邊緣附近管子外徑進(jìn)行圓度測(cè)量,長(zhǎng)軸為45.54 mm,短軸為35.21 mm,爆口處圓度為25.59%。如果排除管子外彎處壁厚減薄因素,以內(nèi)徑測(cè)量值計(jì)算得出的圓度為12.35%。說(shuō)明該彎管制造加工成型后的圓度不符合GB/T 16507.5—2013 《水管鍋爐 第5部分：制造》的要求。選取距爆口兩側(cè)各150 mm直管段處進(jìn)行管徑測(cè)量,測(cè)得管徑分別為44.70,45.20 mm,未發(fā)現(xiàn)明顯脹粗現(xiàn)象。 

對(duì)管樣1爆口臨近直管段外壁氧化皮厚度進(jìn)行測(cè)量,氧化皮厚度為1.03～2.10 mm。管樣1內(nèi)壁較光滑,但存在微小的點(diǎn)狀腐蝕及較淺的溝槽,無(wú)結(jié)垢現(xiàn)象(見(jiàn)圖4)。 

圖  4  管樣1爆口臨近直管段內(nèi)壁宏觀形貌

管樣2的整體和局部宏觀形貌如圖5所示。由圖5可知：在管樣2上可見(jiàn)安裝鰭片的痕跡；爆口位于鰭片根部邊緣,附近管壁存在局部吹損痕跡,呈圓形,爆口邊緣鋒利,鰭片邊緣的其他區(qū)域也存在吹損形成的溝槽；遠(yuǎn)離爆口的鰭片根部也存在吹損痕跡,但表面較平整,存在黑色致密的氧化膜,說(shuō)明該區(qū)域長(zhǎng)期受到煙氣吹損的作用。 

圖  5  管樣2的整體和局部宏觀形貌

1.2   磁粉檢測(cè)

將管樣1,2沿軸向剖開(kāi),分別對(duì)內(nèi)、外表面進(jìn)行磁粉檢測(cè),在內(nèi)、外表面均未發(fā)現(xiàn)線性缺陷。 

1.3   化學(xué)成分分析

對(duì)管樣1進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知：管樣1的化學(xué)成分符合ASME SA－210/210M 《鍋爐和過(guò)熱器用無(wú)縫中碳鋼管》對(duì)SA－210C鋼的要求。 

1.4   力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)管樣1進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表3所示。由表3可知：管樣1的硬度符合ASME SA－210/210M的要求。 

對(duì)管樣1進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。由表4可知：管樣1的抗拉強(qiáng)度滿足ASME SA－210/210M的要求。 

1.5   金相檢驗(yàn)

爆口附近管子內(nèi)壁存在較小的點(diǎn)狀腐蝕坑,其微觀形貌如圖6所示。隨機(jī)選取2處腐蝕坑,采用光學(xué)顯微鏡對(duì)腐蝕坑進(jìn)行深度測(cè)量,結(jié)果為0.15,0.20 mm(見(jiàn)圖7)。 

圖  6  管樣1爆口附近內(nèi)壁腐蝕坑微觀形貌

圖  7  內(nèi)壁腐蝕坑深度測(cè)量結(jié)果

在管樣1爆口下端裂紋尖端附近取樣,對(duì)其鑲嵌后進(jìn)行金相檢驗(yàn)。爆口裂紋尖端微觀形貌如圖8所示。由圖8可知：管樣1的基體組織為鐵素體＋珠光體,存在較明顯的帶狀組織,評(píng)為2.5級(jí),珠光體球化級(jí)別為3.5級(jí),裂紋尖端呈穿晶擴(kuò)展特征,裂紋附近組織存在晶粒拉伸變長(zhǎng)現(xiàn)象,說(shuō)明開(kāi)裂部位材料存在明顯的局部塑性變形。 

圖  8  管樣1爆口裂紋尖端微觀形貌

對(duì)管樣2取樣并進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：管樣2的顯微組織為鐵素體＋珠光體,帶狀組織評(píng)為4.5級(jí),珠光體球化級(jí)別為2.5級(jí)；管樣2的顯微組織基本正常,未見(jiàn)明顯老化。 

圖  9  管樣2母材微觀形貌

1.6   掃描電鏡(SEM)和能譜分析

在管樣1爆口中間部位截取試樣,對(duì)斷口表面進(jìn)行掃描電鏡分析。因斷口表面銹蝕嚴(yán)重,采用體積分?jǐn)?shù)為4%的鹽酸水溶液對(duì)斷口進(jìn)行超聲波清洗,再對(duì)斷裂面裂紋邊緣進(jìn)行觀察,斷面表面SEM形貌如圖10所示。由圖10可知：斷口大部分區(qū)域呈準(zhǔn)解理斷裂形貌,斷面及試樣外表面仍有清洗后未能完全去除的氧化鐵,靠近外表面局部區(qū)域斷裂面存在二次裂紋,靠近外表面局部區(qū)域斷口上存在氧化物溶解后遺留的微小孔洞(見(jiàn)圖11),內(nèi)表面裂紋源萌生于內(nèi)表面的腐蝕坑(見(jiàn)圖12)及腐蝕溝槽(見(jiàn)圖13)。 

圖  10  管樣1斷面表面SEM形貌

圖  11  管樣1靠近外表面局部區(qū)域斷裂面二次裂紋及微小孔洞SEM形貌

圖  12  管樣1腐蝕坑SEM形貌

圖  13  管樣1溝槽SEM形貌

腐蝕坑內(nèi)部及內(nèi)表面溝槽均存在殘存的腐蝕產(chǎn)物,對(duì)腐蝕坑內(nèi)部、內(nèi)表面溝槽、外表面斷面分別進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖14～16所示。由圖14～16可知：腐蝕坑內(nèi)部、內(nèi)表面溝槽的氧元素含量明顯大于靠近外表面斷裂面,說(shuō)明腐蝕產(chǎn)物主要為氧化鐵。 

圖  14  腐蝕坑內(nèi)部能譜分析位置和能譜圖

圖  15  內(nèi)表面溝槽能譜分析位置和能譜圖

圖  16  外表面斷面能譜分析位置和能譜圖

2.   綜合分析及結(jié)論

管樣1,2的磁粉檢測(cè)、化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,金相檢驗(yàn)結(jié)果表明材料老化不嚴(yán)重,不存在長(zhǎng)期超溫過(guò)熱現(xiàn)象。 

管樣1爆管的主要原因是彎管外表面的嚴(yán)重磨損及腐蝕造成的減薄量過(guò)大,使得剩余壁厚無(wú)法承受內(nèi)部介質(zhì)壓力,造成爆管。由于爆裂彎管處圓度超標(biāo),故在內(nèi)壓膜應(yīng)力的作用下,彎管外彎復(fù)圓過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力,進(jìn)一步增大彎管外彎部位管壁所承受的應(yīng)力。 

管樣1內(nèi)表面存在較淺的凹槽及點(diǎn)狀腐蝕坑,在受力過(guò)程中這些部位形成局部應(yīng)力集中,并成為薄弱點(diǎn),促使裂紋在底部萌生并擴(kuò)展,引起爆管。 

管樣2爆口的產(chǎn)生原因?yàn)楣軜?彎管對(duì)應(yīng)部位爆裂后,其局部發(fā)生吹損,造成壁厚減薄。直管上鰭片根部吹損部位的局部磨損區(qū)域表面發(fā)黑,存在氧化現(xiàn)象,由此推斷其表面存在長(zhǎng)期煙氣及飛灰吹損,說(shuō)明該位置可能存在煙氣走廊。 

3.   改進(jìn)措施

建議擴(kuò)大低溫省煤器管彎頭部位的宏觀觀察和壁厚測(cè)量范圍。對(duì)壁厚減薄量偏大或彎管圓度偏大的管子加強(qiáng)監(jiān)督,對(duì)壁厚減薄量大于30%的低溫段省煤器管進(jìn)行全面更換。 

對(duì)省煤器管排進(jìn)行檢查調(diào)整,防止出現(xiàn)煙氣走廊,從而加劇對(duì)局部管排的磨損；對(duì)空間位置及環(huán)境條件苛刻,易發(fā)生磨損的重點(diǎn)部位管子及彎管加裝防磨護(hù)瓦。避免使用劣質(zhì)煤,優(yōu)化調(diào)整燃燒方式,減少對(duì)省煤器的腐蝕和磨損。嚴(yán)格控制鍋爐水質(zhì)及酸洗工藝過(guò)程,防止介質(zhì)對(duì)省煤器管內(nèi)表面造成腐蝕。 

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