锅炉集箱孔桥裂纹的检验与分析

韦谞深

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院新乡分院 新乡 453003）

特检之苑

锅炉集箱孔桥裂纹的检验与分析

韦谞深

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院新乡分院 新乡 453003）

本文通过对电站锅炉的内部检验，采用超声检测方法发现高温过热器出口集箱孔桥部位存在超标缺陷，经射线探伤验证，孔桥处发现多道裂纹。对集箱更换后进行了解剖，实际状况与探伤结果一致，经过对集箱蠕胀测量、金相检验、机械性能试验等，对裂纹产生的原因进行了认真分析，认为集箱过热器管孔周围发射状裂纹属于蠕变裂纹，高温和局部应力集中是造成管孔周围蠕变裂纹的主要原因，并从设计、制造、检验、使用等环节提出了预防措施。

出口集箱 超声检测 管孔裂纹 蠕变 措施

笔者在对一家企业电站锅炉的内部检验时，对高温过热器出口集箱孔桥部位进行超声检测，结果发现存在多道裂纹，笔者希望通过此缺陷的分析研究，能够引起锅炉设计制造单位、安装单位、使用单位以及检验单位对这一问题的关注，确保锅炉长期安全运行。

1 锅炉概况

该锅炉于1994年安装并投入使用，型号为YG-35/3.82-M3，循环流化床锅炉，过热蒸汽出口压力3.82MPa，出口温度450℃。过热器出口集箱材质为15CrMoG，规格为273×16mm，累计运行时间130000h。

2 缺陷检出过程

在对该锅炉内部检验时，考虑到运行时间较长，检验方案中要求对高温过热器出口集箱中间孔桥部位进行超声检测抽查，检测中对中间部位左数第15～16根、16～17根过热器管孔桥进行超声检测，发现有明显的超标缺陷，缺陷回波起波速度很快，波幅高远超判废线，左右移动探头，有一定的延伸长度，且具有面积形缺陷特征［1］。于是对全部孔桥进行检测，结果发现从左数第10～20根过热器管之间的孔桥有超标缺陷，为验证超声检测结果，对左数第15～16、16～17根过热器管孔桥进行射线探伤，发现均存在多道明显的裂纹，裂纹最长约为50mm［2］。针对以上所检测到的危险性缺陷，及时修改检验方案，增加对表面式减温器引入、引出管孔桥部位的超声检测，经对左数第17～18根、19～20根低温过热器引入管孔桥部位，左数第16～17根、18～19根高温过热器引出管孔桥部位进行超声检测，均未发现可记录缺陷。

3 处理结果

根据检测情况：高温过热器出口集箱左数第10～20根过热器管之间的孔桥部位发现多道裂纹，应进行集箱更换。

4 切割解剖

图1 左数第13～18根过热器管孔内侧

图2 左数第15～16根过热器管孔内侧

图3 左数第15～16根过热器管孔桥横截面

对该集箱更换后，经对集箱外径测量后，笔者进行了解剖，结果与探伤情况一致，通过解剖笔者可以清楚地看到，左数第10～20根过热器管集箱管孔周边呈现多道发射状裂纹，向四周扩展，裂纹自内向外纵深延伸，集箱中部最为严重，裂纹最长达55mm，最深达14mm，最宽达1.50mm。见图1、图2、图3。

5 试验与检测

为了分析集箱孔桥裂纹产生的原因，笔者对更换下来的集箱进行了如下试验与检测工作：

5.1 蠕胀测量

为了检测集箱的蠕胀情况，对更换下来的高温过热器出口集箱进行外径测量，自左至右等分测量5个截面，见表1。

表1 蠕胀测量

由表1中测量值看出，集箱两端外径值较小，中间外径值较大，相对于公称直径273mm，最大胀粗值为3.72mm，最大胀粗率为1.40%，表明集箱发生了较大的蠕胀，产生蠕胀裂纹的管孔区胀粗更为严重。

5.2 金相检验

为了检验450℃高温对15CrMoG材质金相组织的影响，笔者对集箱中部进行金相检验，采用机械抛光，4%硝酸酒精溶液浸蚀，金相显微倍数为500倍，见图4。由金相图片可以看出，集箱材料金相组织中珠光体倾向性球化，属2级，表明金相组织基本正常，未发生劣化［3］。

图4 15CrMoG集箱金相图

5.3 力学性能试验

为验证集箱材料在室温下的强度，割取未产生蠕变裂纹的集箱部位制取拉力试样3个，进行屈服强度和抗拉强度试验，试验结果见表2。从试验结果可以看出，室温下集箱材料抗拉强度和屈服强度在标准值范围之内［4］。

表2 力学性能试验

6 原因分析

通过对集箱的测量、检验与试验，可以清楚看到，其金相组织基本正常，材质无劣化现象，室温下抗拉强度和屈服强度也在标准值范围之内，但集箱管材发生了蠕变现象。

该锅炉高温过热器出口集箱，材质为15CrMoG，属于耐热低合金钢，在锅炉额定压力为3.82MPa，额定温度为450℃的参数下长期运行，必然发生蠕变现象。蠕变是材料在高温下长时间承受恒温、恒载荷作用，缓慢产生塑性变形的现象。是在温度T≥（0.30～0.50）t（t为熔点，T为温度）及远低于屈服强度的应力下，材料随加载时间的延长缓慢地产生塑性变形。通常碳素钢超过300～350℃、合金钢超过400～450℃时才有蠕变行为，在高温条件下，材料都有着与常温下不同的蠕变行为，借助于高温作用和外力作用，材料的抗形变能力得到削弱，内部质点发生迁移，晶界相对移动，便发生蠕变，材料的应变ε随时间t变化的典型蠕变曲线，如图5所示［5-6］。曲线的终端表示材料发生断裂，t=0时的应变表示加载结束时的即时应变，它包括弹性应变和塑性应变。蠕变曲线可分为三个阶段：Ⅰ为非定常蠕变阶段，应变率随时间的增加而减小；Ⅱ为定常蠕变阶段，应变率保持常值；在最末阶段Ⅲ，应变率随时间增加而增大，最后材料发生断裂。通常，升高温度或增加应力都会使蠕变加快并缩短达到断裂的时间。若应力较小或温度较低，则蠕变的第二阶段(Ⅱ)持续较久，甚至不出现第三阶段（Ⅲ）。

图5 材料应变ε随时间t变化的典型蠕变曲线

高温过热器出口集箱正下部与30根高温过热器出口管子相连，集箱开孔部位是强度薄弱区，集箱管孔内侧周围属于应力集中区，特别是管孔内侧加工粗糙时应力集中更为严重，所以出口集箱开孔部位在长期运行下除了发生蠕变，管孔内侧周围还会因蠕变而发生蠕变裂纹。由于主蒸汽管道从出口集箱中部向上引出（见图6），对出口集箱中部必然会产生附加的弯曲应力，所以发生蠕变裂纹的严重部位发生在集箱中部。

图6 主蒸汽管道自集箱中部引出图

7 结论

通过分析以及对集箱的测量、检验与试验，可以清楚地看到，15CrMoG集箱管材，在压力为3.82MPa，温度为450℃使用参数下长期运行，金相组织基本正常，材质无劣化现象，室温下抗拉强度和屈服强度也在标准值范围之内，但集箱管材会产生蠕变现象。对集箱开孔，尤其是开孔内侧周围加工较粗糙、存在显微裂纹源的应力集中部位，会产生更大的蠕变损伤，在开孔内侧周围产生发射状蠕变裂纹。对于主蒸汽管道自集箱中部向上引出，对集箱产生附加应力的中部孔桥部位发生蠕变裂纹的现象更为严重。

8 建议和注意事项

8.1 运行中温度和压力控制

对于耐热低合金钢15CrMoG管材，在一定应力下，长期高温运行，必然发生蠕变现象。应力越高、温度越高，蠕变就越严重。试验证明，合金钢材料低于400℃以下运行，即使裂纹尖端附近存在较高应力，部件材料也不会产生蠕变损伤，其寿命也几乎不受影响；但合金钢材料使用温度高于400～450℃，在一定应力下就会发生蠕变现象，并且每升高12℃，或应力升高15%，合金钢材料使用寿命将缩短一半［7］。所以在锅炉运行中，避免超压和超温，以最大限度延长材料的使用寿命。

8.2 弹簧支吊架预压缩值的设定

如果主蒸汽管道自过热器出口集箱中部向上引出，应注意管道支吊架的合理设计，尤其是管道出口第一只弹簧支吊架的预压缩值，应能全部承担支吊架两侧管道及其保温的重量，同时，垂直管道部分的热膨胀带来的向上位移，在弹簧支吊架预压缩时应予考虑，以防止运行时对集箱产生附加应力［8]。

8.3 开孔加工

对于锅炉制造单位，在对过热器出口集箱、集汽集箱及再热器出口集箱开孔加工时，应注意内孔口边沿光滑，有条件时最好圆滑过渡，避免带毛刺甚至开裂［9]。

8.4 定期检验

锅炉内部检验时，对于碳素钢超过300℃、合金钢超过400℃以上的集箱［5-6］，在运行时间超过5万h时，对过热器、再热器出口集箱引入管孔桥部位每2个内部检验周期进行超声检测抽查，重点抽查集箱中部引入管孔桥部位；运行时间超过10万h时，对过热器、再热器出口集箱引入管孔桥部位以及集汽集箱引入、引出管孔周围每次内部检验都应进行超声检测抽查［10］，重点抽查集箱中间部位。

8.5 超声检测的工艺要求

在对集箱进行超声检测时，所选探头晶片曲率尽量与集箱曲率一致，以保证探头与集箱表面能够良好耦合。扫查时应尽量采用直射波，所选探头K值宜采用K=1［1］。

8.6 使用过程监督

有条件的锅炉使用单位，在锅炉运行时间超过5万h的停炉期间，采用超声检测方法对过热器、再热器出口集箱引入管孔桥部位进行探伤，以便尽早发现，及时处理；对集箱外径进行定点测量，做好记录并计算蠕胀率，当蠕胀率超过1%时［10］，应加强监督并申请检验单位进行检验，确保锅炉安全运行。

[1]NB/T 47013.3—2015 承压设备无损检测 第3部分：超声检测[S].

[2]NB/T 47013.2—2015 承压设备无损检测 第2部分：射线检测[S].

[3]DL/T 787—2001 火力发电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准[S].

[4]GB/T 228.1—2010 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法[S].

[5]王从曾.材料性能学[M].北京：北京工业大学出版社，2007：124-133.

[6]胡赓祥，蔡珣，戎咏华.材料科学基础[M].上海：上海交通大学出版社，2007：214-216.

[7]GB/T 30579—2014 承压设备损伤模式识别[S].

[8]DL/T 5054—2016 火力发电厂汽水管道设计规范[S].

[9]GB/T 16507.3—2013 水管锅炉 第3部分：结构设计[S].

[10]TSG G7002—2015 锅炉定期检验规则[S].

Inspection and Analysis of Cracks in the Boiler Header

Wei Xushen
(Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing Xinxiang Branch Xinxiang 453003)

During the internal inspection for the power plant boiler, excessive defects were found in the high temperature superheater outlet header ligament by ultrasonic testing, where many cracks were detected by radiographic inspection. After the dissection of the header, the actual situation was the same as and the detection result. The cause of the crack was carefully analyzed combining creep expension measurement, metallographic examination and mechanical performance test. It was considered that surrounding cracks around the pipe hole of superheater header were creep crack, and the high temperature and local stress concentration were the main reasons. Preventive measures were put forward in the aspects of design, manufacture, inspection and use.

Exit header Ultrasonic testing Tube hole crack Creep Measures

X933.2

B

1673-257X(2017)09-0072-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.09.014

韦谞深（1965～)，男，本科，工程师，从事承压类特种设备检验工作。

韦谞深，E-mail： wxsh298298@126.com。

2017-04-11）