燃煤电厂非受监金属部件失效案例及原因分析

缪春辉, 汤 泉, 张 涛, 陈国宏, 王若民

(1. 国网安徽省电力公司 电力科学研究院, 合肥 230601; 2. 安徽大学 生命科学学院, 合肥 230601)

实践经验

燃煤电厂非受监金属部件失效案例及原因分析

缪春辉1, 汤 泉2, 张 涛1, 陈国宏1, 王若民1

(1. 国网安徽省电力公司 电力科学研究院, 合肥 230601; 2. 安徽大学 生命科学学院, 合肥 230601)

通过对火力发电厂数起非受监金属部件失效案例的介绍以及分析，总结了该类金属部件失效的常见原因和改进措施。结果表明：热处理工艺问题、设计问题、维护问题以及焊接问题等是导致该类金属部件失效的主要原因，可通过在采购、安装、验收等环节加强监督来降低该类金属部件的失效。

燃煤电厂;非受监金属部件;失效

长期以来，由于失效而导致火电机组非计划停机(非停)或降负荷运行的金属部件主要集中在受热面管(水冷壁管、过热器管、再热器管以及省煤器管)、汽水集箱及管道、汽轮机和发电机的金属材料以及高温紧固件等[1]，DL/T 438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》[2]适用范围也限于此。近年来，随着金属技术监督工作的科学化和系统化，由于受监金属部件失效而导致机组非停的频次逐年降低。

在此背景之下，不在DL/T 438-2009适用范围之内的非受监金属部件的失效愈发显得突出[3-5]。此类部件诸如阀杆、磨煤机齿轮、冷渣器矛管、旋风分离器中心筒等，由于长期监督缺失，且定期检验标准仍处于空白阶段，但又承受复杂载荷或高温高压，所以失效风险往往较高。此类部件的失效同样会导致相应机组的停机停炉或降负荷运行，由此带来的经济损失以及对电网的冲击同样不可忽视。

为此，笔者列举了数例此类失效案例，分析了各案例的失效原因，并总结了减少该类失效发生的措施，以供参考。

1 失效案例

1.1 某电厂主汽阀阀杆断裂失效

某电厂600 MW超临界机组投产运行约4×104h后2号主汽阀阀杆发生断裂，该阀杆中心开孔，表面渗氮处理，材料为2Cr12NiMo1W1V钢，断于十字相交的排气孔处，如图1(a)所示。断口表面虽然已发生氧化，但在扫描电子显微镜(SEM)下仍然可以分辨出冰糖状的沿晶断裂特征，断口附近几乎没有塑性变形，且在断口上未发现起裂源，具有一次性过载引起的脆性断裂特征，如图1(b)所示。

图1 阀杆断口形貌Fig.1 Fracture morphology of the valve stem:(a) macro morphology; (b) SEM morphology

对该阀杆取样进行金相检验，基体显微组织为板条状的回火马氏体，晶界有明显的碳化物析出，见图2(a)中箭头所指处。断口经打磨、抛光并侵蚀后光学显微镜下观察可见与脆性晶界碳化物分布高度重合的微裂纹，如图2(b)所示。

图2 阀杆显微组织形貌Fig.2 Microstructure morphology of the valve stem:(a) the matrix; (b) the fracture position

在金相试样表面进行硬度试验[6]，基体硬度为266 HB，低于DL/T 438-2009[2]技术要求的下限硬度277 HB。沿阀杆纵向采用线切割的方式加工标准冲击试样[7]，测得冲击吸收能量AK=10 J，低于GB/T 20410-2006[8]对该材料的技术要求(≥11 J)。

综上可以推断，由于过回火使得阀杆基体中沿晶界析出碳化物，使得材料晶界弱化、硬度降低的同时抵御冲击载荷的能力也下降，最终导致阀杆在服役过程中的冲击载荷作用下于晶界处萌生微裂纹，微裂纹沿脆性碳化物扩展并导致阀杆断裂，而结构最为薄弱的排气孔处优先发生断裂失效。

1.2 某电厂磨煤机齿轮掉块失效

某电厂600 MW超临界机组配有4台钢球磨煤机，其大齿轮材料为35Cr1Mo钢，使用约6×104h后发现其中一台磨煤机有异响，停机检查发现该磨煤机大齿轮上有两只齿出现缺口，发生了掉块失效，如图3(a)所示。

图3 失效齿轮宏观形貌和啮合面处显微组织形貌Fig.3 The (a) macro morphology of the failure gear and(b) microstructure morphology of the meshing surface

现场检查发现裂纹起始点有密集气孔，啮合面上有大量接触疲劳孔洞，对其他齿根进行渗透检测，共发现6处裂纹。对脱落的金属块进行了金相检验，如图3(b)所示。齿轮表面显微组织为铁素体+珠光体，硬度为152 HB，与设计要求的表面硬度250 HB相差较大。推测该齿轮未进行表面淬火+回火处理，表层显微组织并非强度和耐磨性能更好的回火索氏体，硬度偏低导致齿轮在服役过程中发生接触疲劳掉块失效，而存在铸造缺陷的位置最先失效。

1.3 某电厂冷渣器锥形阀矛管开裂失效

某电厂330 MW循环流化床机组冷渣器锥形阀矛管(该管道内部为冷却水，外部为冷却灰渣)在投产2.2×104h后表面出现丛状裂纹，如图4(a)所示。矛管材料为1.4845不锈钢(德国牌号)，规格为φ135 mm×3 315 mm。

外观检查发现该矛管表面部分区域存在结灰，裂纹走向与结灰区边界垂直，金相检验发现裂纹为穿晶性质，垂直表面由外向内扩展，外表面裂纹周围无晶粒脱落或其他走向的微裂纹，如图4(b)所示。

矛管表面结灰表明此处灰渣流动速率较低，因此结灰区温度较低，加之结灰后影响热传导，温度梯度形成后产生热应力拉裂矛管表面。经核查，矛管结灰的原因是在此之前该冷渣器偶尔存在物料堵塞现象，然而运行人员并未重视，最终引发矛管开裂失效。

1.4 某电厂旋风分离器中心筒脱落失效

某电厂300 MW循环流化床机组，2013年针对旋风分离器中心筒进行技术改造，改造后使用约6×103h后两只中心筒沿从上往下数第一道环焊缝处发生脱落，脱落的筒体堵塞旋风分离器，引起炉膛内空气动力场紊乱，水冷壁后墙大面积磨损并发生爆管。

旋风分离器中心筒采用铸造板材经手工电弧焊焊接而成，板材牌号为TP310S不锈钢，焊条为A402不锈钢。TP310S不锈钢适用温度可达1 200 ℃，因镍、铬含量高，具有良好的耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱以及耐高温性能，但当其使用温度高于800 ℃后，材料会发生软化，其在800 ℃和825 ℃下的许用应力分别为1.73 MPa和1.20 MPa。

由图5可见，在此温度和强度下中心筒的母材以及焊缝均出现大量早期蠕变孔洞。该中心筒实际使用温度约950 ℃，根据计算，第一道环焊缝附近的拉应力约为0.49 MPa。950 ℃下，TP310S不锈钢的许用应力文献标准不可查，但可以确定相比825 ℃时的许用应力1.20 MPa更小，拉应力0.49 MPa接近许用应力是导致其产生早期蠕变孔洞的原因。

图5 中心筒显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of the central cylinder:(a) the base material; (b) the weld seam

图6 脱落焊缝宏观形貌Fig.6 Macro morphology of the fractured weld seam

此外，该中心筒第一道环焊缝存在严重的焊接缺陷，如图6所示，未熔合长度约为环焊缝周长的1/3,宽度约为板材厚度的1/2。因此,有效承载面积不足是导致该中心筒沿第一道环焊缝脱落的另一个重要原因。

2 分析与讨论

总结上述非受监金属部件失效的主要原因如下。

一是热处理工艺问题，热处理温度、时间控制出现异常或某些工序被忽略，导致材料不能满足设计要求，致使部件在后期运行过程中出现故障。

二是设计问题，产品设计时对温度、受力等条件考虑不足，过分重视经济因素，选材等级偏低，导致部件早期失效。

三是维护问题，对设备使用过程中发现的安全隐患未能充分认识或不及时处理，致使部件缺陷未能被及时发现和消除。

四是焊接问题，不按焊接工艺卡施焊，为了焊接效率任意选择线能量，焊前预热或焊后热处理不规范以及不进行焊接质量检查，是导致此类金属部件失效的常见原因。

非受监金属部件的失效大多可以通过在采购、安装、验收、使用等环节加强监督从而有效避免，火力发电厂金属专工如能积极参与此类非受监金属部件的全过程管理，加强焊接过程的管理和焊接质量的检验，针对失效可能性较大的金属部件建立检验制度，此类金属部件的失效必能得到有效控制。

3 结束语

导致燃煤电厂非受监金属部件失效的原因主要有热处理工艺问题、设计问题、维护问题、焊接问题等几个方面，大多可以通过在采购、安装、验收、使用等环节加强监督来避免该类金属部件的失效。

[1] 张学星,谭晓霞,曾凡伟,等.亚临界锅炉前墙吊挂管爆管原因分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(4):270-273,277.

[2] DL/T 438-2009 火力发电厂金属技术监督规程[S].

[3] 李海霞,张小伍,王梅英,等.某电厂轴承弹簧断裂分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(11):817-819.

[4] 张涛,高云鹏,田峰,等.电站汽动给水泵0Cr13Ni4Mo不锈钢主轴断裂失效分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(10):725-729.

[5] 万瑜,杨超,李烨.超超临界锅炉捞渣机圆环链断裂分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(7):493-496.

[6] GB/T 231.1-2009 金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法[S].

[7] GB/T 229-2007 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法[S].

[8] GB/T 20410-2006 涡轮机高温螺栓用钢[S].

Failure Cases and Reasons Analysis of Non-supervised Metallic Parts in Coal-fired Power Plants

MIAO Chun-hui1, TANG Quan2, ZHANG Tao1, CHEN Guo-hong1, WANG Ruo-min1

(1. Electric Power Research Institute, State Grid Anhui Electric Power Company, Hefei 230601, China; 2. Life Science Academy of Anhui University, Hefei 230601, China)

The general reasons and improvement measures of the failure of non-supervised metallic parts in coal-fired power plants were summed up by the study of several failure cases. The results show that heat treatment process problems, design problems, maintenance problems and welding problems were main reasons for the failure of the non-supervised metallic parts, and the failure frequency of these metal parts could be reduced by strengthening supervision in procurement, installation, inspection and other links.

coal-fired power plant; non-supervised metallic part; failure

10.11973/lhjy-wl201704009

2015-12-07

缪春辉(1986-)，男，博士，主要从事电站锅炉理化检验和失效分析工作，miaochunhui@hotmail.com。

TB4

B

1001-4012(2017)04-0264-04