电站锅炉高温再热器管失效分析

天津军粮城发电有限公司 天津 300300

一、概况

电站锅炉再热器再热器承担着将来自汽轮机高压缸做过功的二次蒸汽,排回到锅炉进行再次加热,使之成为具有与过热蒸汽相同温度的再热蒸汽,然后在送入汽轮机中低压缸再次做功,降低汽轮机末级叶片蒸汽湿度,提高效率的作用。再热器工作在最高的温度区域,是锅炉受热面工作条件最为恶劣的部件。与过热器相比,由于再热器中的工质,压力低、流速低、密度小,过热蒸汽换热系数小,冷却管子的能力差,同时,由于是二次蒸汽,因此锅炉启动过程中,再热器管存在“干烧”现象,管壁更容易超温。

某电厂＃2锅炉,累计运行53685小时,锅炉为670/H型锅炉,主要额定参数:再热蒸汽出口压力2．27Mpa,温度540℃,再热蒸汽流量581．9吨。

该炉高温再热器管在运行过程中发生爆管泄漏,爆口部位为高再44－2－B2000,爆口管段设计钢材为12Cr2MoWVTiB,规格Φ42×3．5。

二、试验

(1)宏观检验。爆管泄漏部位宏观照片如图一所示,爆口长度约67mm,开口尺寸为最大为6mm,观察爆口附近外表面氧化、烧损严重,外壁氧化层最厚处达2mm,呈深灰色,爆口粗糙边缘无明显减薄,爆口部位管段胀粗不明显,爆口程脆性爆口特征,爆口两侧见纵向开裂裂纹。

观察取样部位管段横断面照片如图二所示,经测量管壁金属厚度,向火侧最薄约为1mm;最厚出约为2．4 mm,内壁氧化物厚度为1．5～2．4mm,并分为颜色不通的两层。

对爆管管段下弯头割管后发现,弯头部位有大量氧化物等渣滓堵在弯头处。

(2)金相力学性能。在取样管段位置2处截取圆环试样(见图三),经4%硝酸酒精侵蚀,观察金相显微组织,在400倍显微镜下观察,金相组织为贝氏体组织形态,但在晶内和晶界析出大量碳化物,晶界碳化物已形成链状。金相照片见图四。由于管壁厚度太薄,无法进行力学性能试验。

(4)材质复验。对主爆口管段爆口附近部位1点进行光谱定性分析,发现主爆口管材含有Cr、Mo、V、W、Ti元素,与管材实际材质12Cr2MoWVTiB相符。

(5)能谱分析。对高再主爆口管段取样部位3作能谱分析,基体碳化物能谱图如能谱图一,管内壁外层氧化物能谱图如图二,管内壁内层氧化物如图三;对基体组织、内壁内层氧化物、内壁外层氧化物、基体组织中碳化物进行能谱分析,电镜照片见图一～图三。

基体组织成分符合12Cr2MoWVTiB钢化学成分,基体组织中碳化物成分中 Cr占5．91%、W 占5．53%、Mo占3．38%、V占0．46%、Fe占84．72%,表明合金元素已向碳化物中聚集及析出。内壁外层氧化物能谱分析结果显示:其成分几乎都为Fe元素。内壁内层氧化物能谱分析结果显示:其成分为:Cr占4．63%、W 占11．58%、Mo占4．08%、V占0．75%、Fe占78．96%。

三、分析及结论

由金相组织和电镜照片可以看出,基体金相组织为贝氏体组织形态,但在晶内和晶界析出大量碳化物,并且晶界碳化物已形成链状。机理上这些链状碳化物在晶界聚集,产生低应力蠕变,在晶界产生蠕变空洞,孔洞在应力作用下继续增多、长大、聚合,形成微裂纹,不断的连通扩展,最后发生开裂。同时管壁在高温蒸汽作用下,外层生成以Fe3O4和少量Fe2O3组成的氧化皮,内层生产致密的Fe、Cr、W、Mo等尖晶石氧化物,并导致有效金属壁厚不断减薄,使得管壁应力的增大进一步促使蠕变开裂。

由于再热器管内压力低、流速小,过热蒸汽换热系数小,冷却管子的能力差,而弯头处氧化物等渣滓堆积,造成流通面积进一步变小,蒸汽冷却管壁能力急剧恶化,造成管段局部温升过高,造成管壁长时间过热氧化,造成管子蠕变失效,最终导致爆管泄漏。