本文針對(duì)某電廠300MW機(jī)組鍋爐末級(jí)過(guò)熱器不銹鋼管裂開(kāi)問(wèn)題,進(jìn)行了宏觀檢查、室溫拉伸和硬度試驗(yàn)、金相組織檢驗(yàn)及當(dāng)量溫度計(jì)算分析,最終確定末級(jí)過(guò)熱器不銹鋼管裂開(kāi)的主要原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)超溫過(guò)熱不銹鋼管裂開(kāi)。
1概述
某電廠300MW機(jī)組選用哈爾濱三大主機(jī)廠生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型設(shè)備，于1994年10月投產(chǎn)運(yùn)行，鍋爐末級(jí)過(guò)熱器材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為Φ51×9mm。2018年7月，鍋爐末級(jí)過(guò)熱器B數(shù)第1屏迎火側(cè)第3根發(fā)生不銹鋼管裂開(kāi)，取樣管段如圖1所示，取樣管段信息見(jiàn)表1。
2試驗(yàn)內(nèi)容與分析
(1)宏觀檢查，裂口呈魚嘴狀，裂口的斷口較平整，斷面呈顆粒狀，減薄不明顯，裂口附近有較多平行于裂口的未穿透裂紋，管子及裂口內(nèi)外表面呈青灰色，脆性的氧化鐵皮上有許多縱向紋。從裂口宏觀特征來(lái)看，不銹鋼管裂開(kāi)具有長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱特征。尺寸測(cè)量結(jié)果也表明，裂口管存在明顯的脹粗現(xiàn)象。圖2為裂口管段宏觀形貌。
(2)化學(xué)成分分析結(jié)果表明，各管段化學(xué)成分滿足GB5310《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)12Cr1MoVG化學(xué)成分要求，但是各管段S含量略高于GB5310《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)12Cr1MoVG化學(xué)成分要求。
(3)室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，B1-3-2裂口上部取樣管段抗拉強(qiáng)度明顯低于GB5310對(duì)12Cr1MoVG鋼要求，B1-2裂口相鄰取樣管段抗拉強(qiáng)度在GB5310對(duì)12Cr1MoVG鋼要求下限值附近，B4-7對(duì)比管段取樣拉伸性能仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
(4)硬度測(cè)試在金相試面上進(jìn)行，各管段均在向火面和背火面各測(cè)試4點(diǎn)，共測(cè)試8點(diǎn)。由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，B1-3-1裂口附近J1試樣向火面硬度在DL/T438-2016對(duì)12Cr1MoVG硬度的要求下限值附近。其余管段硬度較為均勻，滿足DL/T438-2016對(duì)12Cr1MoVG鋼管硬度的要求。(5)對(duì)B1-3-1管段裂口附近取樣J1及裂口遠(yuǎn)端取樣J2母材金相觀察可見(jiàn)，金相組織為鐵素體+碳化物，碳化物粒子在鐵素體晶界上分布，晶粒度約7～8級(jí)，球化級(jí)別4.5級(jí)，屬于嚴(yán)重球化，見(jiàn)圖3、圖4。
裂口上部取樣管B1-3-2和裂口相鄰管取樣B1-2管段試樣母材金相組織為鐵素體+碳化物，碳化物粒子在鐵素體晶界上分布，晶粒度約7～8級(jí)，球化級(jí)別4.5級(jí)，屬于嚴(yán)重球化。對(duì)比管B4-7管段試樣母材金相組織為鐵素體+碳化物，大部分的碳化物已分布在鐵素體晶界上，有少量的珠光體或貝氏體區(qū)域，晶粒度約7～8級(jí)，球化級(jí)別4級(jí)，屬于完全球化，見(jiàn)圖5、圖6。
(6)當(dāng)量溫度計(jì)算，鍋爐管在運(yùn)行過(guò)程中由于受到蒸汽介質(zhì)作用，在管子內(nèi)壁會(huì)形成一層致密的氧化皮。氧化皮的傳熱熱阻較大，阻隔了蒸汽介質(zhì)與管壁金屬的熱量交換，從而導(dǎo)致管壁金屬溫度升高，而溫度升高又加速了其氧化過(guò)程。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，各管段的金屬壁溫將不斷升高?？梢?jiàn)，氧化皮的增厚與超溫的形成緊密相聯(lián)，它最終將導(dǎo)致管子蠕變失效或過(guò)熱不銹鋼管裂開(kāi)。
同時(shí)，高溫鍋爐管內(nèi)壁氧化皮的增長(zhǎng)厚度與其在該段服役期內(nèi)的當(dāng)量金屬溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。某段管子不管它曾經(jīng)在何種溫度、何種應(yīng)力條件下運(yùn)行了多少時(shí)間，其壽命的損耗程度總可以等效于在某一固定的金屬溫度及特定的應(yīng)力條件下服役了相同時(shí)間，這個(gè)等效的金屬溫度就稱之為當(dāng)量金屬溫度。
3結(jié)論及建議
通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果及分析，得出以下結(jié)論:
取樣管段B1-3材質(zhì)球化程度較重，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度下降，已低于標(biāo)準(zhǔn)要求;通過(guò)氧化皮測(cè)量及當(dāng)量溫度計(jì)算也表明該管段存在超溫運(yùn)行，因此引起該管段不銹鋼管裂開(kāi)泄漏的主要原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)超溫過(guò)熱不銹鋼管裂開(kāi)。
對(duì)比分析的B1-2管段母材金相組織為鐵素體+碳化物，碳化物粒子在鐵素體晶界上分布，晶粒度約7～8級(jí)，球化級(jí)別4.5級(jí)，屬于嚴(yán)重球化;該管段抗拉強(qiáng)度在GB5310對(duì)12Cr1MoVG鋼要求下限值附近，該管段材質(zhì)劣化較嚴(yán)重。B4-7管段的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率雖然符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但試樣母材金相組織為鐵素體+碳化物，大部分的碳化物已分布在鐵素體晶界上，有少量的珠光體或貝氏體區(qū)域，球化級(jí)別4級(jí)，屬于完全球化，晶粒度約7～8級(jí)。
針對(duì)上述結(jié)論，鑒于末級(jí)過(guò)熱器管材已運(yùn)行約15萬(wàn)小時(shí)，建議針對(duì)末級(jí)過(guò)熱器管排選取有代表性的部分管段進(jìn)行剩余壽命評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果有針對(duì)性地制定處理措施。