某600 MW超临界机组末级过热器泄漏原因分析

郝维勋， 谭舒平

(高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室(哈尔滨锅炉厂有限责任公司)，黑龙江 哈尔滨 150046)

某600 MW超临界机组末级过热器泄漏原因分析

郝维勋， 谭舒平

(高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室(哈尔滨锅炉厂有限责任公司)，黑龙江 哈尔滨 150046)

通过宏观形貌观察、化学成分检测、力学性能检测、显微组织检测、扫描电镜形貌分析等方法，对某600 MW超临界机组SA-213 TP347H末级过热器弯头泄漏原因进行分析，确定泄漏弯头内弧侧发生泄漏的裂纹由弯头内弧侧的压痕引起，在锅炉高温变负荷运行和震动条件下，裂纹萌生并扩展。钢管弯制后未进行有效的固溶处理对裂纹的萌生和扩展有促进作用。

末级过热器；泄漏；原因分析

我国的用电需求量逐年稳步增长，2016年的全社会用电量达到59 198亿k.Wh，同比增长5.0%；截止到2016年底，我国的发电装机容量达到了16.5亿kW，同比增长8.2%。伴随着发电行业的迅猛发展和总装机容量的逐年提高，用电量的增长速度低于装机容量的发展速度，全国600 MW及以上电厂发电设备2016年的平均利用小时数同比降低了203 h，其中火电设备平均利用小时数同比降低199 h，仅为4 165 h，平均每台设备每年的实际运行时间不足6个月。发电设备除检修及计划停运外，困扰发电厂的是设备故障被迫停运。发电设备三大主机故障率最高的就是锅炉。本文通过对某600 MW超临界机组SA-213 TP347H(规格Φ51×11 mm)末级过热器弯头泄漏原因进行分析，包括宏观观察、化学成分、力学性能、显微组织、扫描电镜形貌分析等，确定发生泄漏的原因，为电站锅炉的生产制造、安装、运行及检修等提供参考。

1 取样及宏观观察

图1 样管宏观形貌

发生泄漏的位置位于末级再热器弯头处，样管宏观形貌如图1所示。弯头弧顶中性面附近及内弧侧的泄漏点周围均呈光滑圆弧状形貌，是由其他钢管蒸汽泄漏吹损所致，并非钢管的原始泄漏点。裂纹在弯头内弧侧外表面产生并沿周向扩展，穿透钢管整个壁厚。裂纹总长约100 mm。 钢管外壁存在少量氧化皮，未见明显胀粗现象，弯头内弧侧裂纹边缘存在明显压痕，长度约15 mm， 宽度约1.5 mm，深度约0.2 mm。钢管其他位置内外表面光滑，无明显表面缺陷。样管弯头内弧侧的穿透性裂纹是本次泄漏的直接原因。对样管直管段及裂纹附近分别取化学成分、力学性能和金相组织试样，对裂纹附近断口取样进行宏观形貌及扫描电镜观察。断口宏观形貌如图2所示，宏观观察断口处存在明显放射状的人字形条纹，并收敛于样管外表面的压痕处，初步判断裂纹起源于该压痕处。

图2 断口宏观形貌

2 实验分析及结果

2.1 化学成分检测

化学成分检测所用设备为OBLF QSN750型直读光谱仪，试验方法参照ASME SA-751[1]执行，检测结果如表1所示。发生泄漏的样管化学成分符合所属标准ASME SA-213[2]的要求，且实测值未接近标准要求的上下限。

2.2 力学性能检测

力学性能检测所用设备为WDW-300E万能材料试验机和THVS-50型维氏硬度计，试验方法参照ASME SA-370[3]执行。分别对样管直管段母材进行拉伸性能和硬度测试，对弯头裂纹附近最大变形量处进行硬度测试，结果如表2所示。样管的力学性能符合所属标准ASME SA-213的要求，弯头处由于加工硬化，导致硬度偏高。

表2 力学性能

2.3 金相组织检测

金相组织检测所用设备为ZEISS Axiovert 200 MAT显微镜，试验方法参照GB/T 13298[4]执行。对直管段母材和弯头裂纹附近的金相试样进行磨制、抛光，采用10%草酸水溶液电解腐蚀，其金相组织如图3和图4所示。母材的金相组织为奥氏体，晶粒度4.5级，符合所属标准要求。裂纹附近的金相组织为奥氏体和大量滑移变形带及应变诱发马氏体，晶粒度与母材无明显差异。金相组织未发现明显的非正常加热痕迹[5]。

图3 母材金相组织

2.4 扫描电镜观察

扫描电镜观察所用设备为Apollo 300型扫描电子显微镜。根据对断口的宏观观察，初步判断裂纹起源于弯头内弧的压痕处，因此对断口距离表面压痕较近处区域的形貌进行SEM观察，如图5和图6所示。断口呈冰糖状，断裂方式为沿晶脆性断裂，同时高倍下观察晶内存在大量小韧窝。断口处未发现明显的夹杂缺陷和腐蚀形貌。

表1 化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions (mass fraction) %

图4 裂纹附近金相组织

图5 断口微观形貌(低倍数)

图6 断口微观形貌(高倍数)

3 分析与讨论

1) 所测样管的化学成分、力学性能和晶粒度均符合ASME SA-213标准的要求，说明样管的理化性能满足使用要求。

2) 裂纹附近金相组织存在大量滑移变形带和应变诱发马氏体，导致弯头处的硬度大幅度升高，塑韧性下降[6]。存在大量的应变诱发马氏体，同时弯头处测得的硬度值高于标准值较多(见表2)，说明弯管加工后未进行固溶处理或固溶处理不充分。SA-213 TP347H钢管进行弯管加工后，在1 100 ℃以上固溶处理，能够消除冷加工带来的滑移变形带和应变诱发马氏体，降低硬度，提高塑韧性，同时保证冷加工后钢管的耐蚀性能。

3) 样管的宏观形貌观察发现，裂纹附近存在明显的压痕，未发现其他明显宏观缺陷。断口处放射状的人字纹收敛于样管外表面的压痕处，说明裂纹由该处起源，其反方向即为裂纹的扩展方向，即裂纹由钢管内弧侧外壁压痕处起源。断口微观形貌呈冰糖状，晶内存在大量小韧窝，属于典型的脆性断裂，说明材料的塑性较差。形成压痕后钢管在压痕处的截面尺寸突变，导致应力分布不均，在该处产生较强的应力集中。同时钢管弯制加工过程中内弧侧压缩变形量较大，生成大量滑移变形带和应变诱发马氏体，塑韧性降低。未通过有效的固溶处理来降低硬度、提高塑韧性，在锅炉长期高温变负荷运行和震动工况下，会在压痕处应力集中强度最高的点首先形成微裂纹并继续扩展，最终形成穿透性裂纹，应力得以释放[7]，钢管发生泄漏。

4) 压痕可能在钢管弯制或安装过程中形成，应属于个别现象，制造厂需加强生产制造过程管控和产品质量检查。

4 结 论

1) 钢管弯制或安装过程中形成的压痕，加剧了弯头处的加工硬化程度，并在局部形成应力集中，在锅炉高温变负荷运行和震动条件下形成裂纹，是本次末级过热器泄漏的直接原因。

2) 钢管弯制后未进行有效的固溶处理以降低硬度提高塑韧性，促进了裂纹的萌生和扩展。

[1] ASME SA-751. 钢制品化学分析方法、试验操作和术语[S].

ASME SA-751. Specification for test methods, practices, and terminology for chemical analysis of steel products[S].

[2] ASME SA-213. 锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管子[S].

ASME SA-213. Specification for seamless ferritic and austenitic alloy-steel boiler, superheater, and heat-exchanger tubes[S].

[3] ASME SA-370. 钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义[S].

ASME SA-370. Standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products[S].

[4] GB/T 13298. 金属显微组织检验方法[S].

[5] 莫烨强,罗建成,孙亮. 炼厂燃油锅炉屏式过热器管失效分析[J]. 失效分析与预防,2014,9 (5):280-282.

MO Yeqiang, LUO Jiancheng, SUN Liang. Failure analysis of platen superheater tube of fuel-oil boiler[J].Failure Analysis and Prevention, 2014,9 (5):280-282.

[6] 杨钒,黄建龙. 304奥氏体不锈钢应变诱发马氏体的研究[J]. 材料热处理学报,2012,33(3):104-109.

YANG Fan, HUANG Jianlong. Study on strain induced martensite in 304 austenitic stainless steel[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment,2012,33(3):104-109.

[7] 王甲安,李剑平,李建. 600 MW超临界机组SA-213TP347H高温再热器频繁泄漏原因探究[J]. 材料热处理学报,2015,36(I):122-127.

WANG Jiaan, LI Jianping, LI Jian. Failure analysis of tube-burst of SA-213TP347H high-temperature reheater of 600MW supercritical unit[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2015,36(I):122-127.

Cause analysis of final superheater leakage of a 600 MW supercritical unit

HAO Weixun，TAN Shuping

(State Key Laboratory of Efficient and Clean Coal-fired Utility Boilers(Harbin Boiler Company Limited),Harbin 150046,China)

The causes of SA-213 TP347H final superheater elbow leakage of of a 600 MW supercritical unit are analyzed by macroscopic observation, chemical composition detection, mechanical property detection, microstructure detection and scanning electron microscopy (SEM) and other ways. It is determined that the cracks leaked in the inner arc side of the elbow are caused by the indentation of the elbow inner arc. The crack initiation and expansion emerges under the high temperature variable load operation and vibration condition of the boiler. After the bending of the steel pipe, the effective solution treatment promotes the initiation and expansion of the crack.

final superheater; leakage; cause analysis

2017-07-06。

郝维勋(1985—),男,工程师,主要从事电站锅炉用材料的检验及失效分析工作。

TK229

A

2095-6843(2017)05-0450-03

(编辑陈银娥)