余热锅炉减温器喷管开裂原因

2022-11-22徐玲媛黄荣攀

理化检验(物理分册) 2022年10期

晁航, 徐玲媛, 黄荣攀

(1.东方菱日锅炉有限公司, 嘉兴 314001；2.江苏常隆管业有限公司, 昆山 215345)

在某运行2 a余热锅炉的停炉检修时，发现其再热器部件的减温器喷管发生开裂。在余热锅炉的运行过程中，由喷淋水来调节再热器蒸汽温度，以达到余热锅炉主蒸汽温度的控制要求。该再热器减温器的最大工作压力为4.09 MPa，计算壁温为555 ℃；喷管材料为12Cr1MoVG钢，规格为89 mm×13 mm(外径×壁厚)。余热锅炉减温器结构如图1所示。

12Cr1MoV钢是国内高压、超高压、亚临界电站锅炉过热器、集箱和主蒸汽管道的常用材料。该锅炉主蒸汽管在540 ℃下安全运行106h后，仍可继续使用[1]，喷管的工作压力和温度符合设计使用要求。一些关于该材料的锅炉部件在运行中发生失效的文献表明：有较多钢管长期工作在高温环境，其显微组织退化，晶粒内部分布有蠕变孔洞，使钢管的力学性能降低，以及高温蒸汽环境下容易发生氧化腐蚀和应力集中，因此会形成裂纹或发生爆管问题[2-4]。为了明确该余热锅炉减温器喷管发生开裂的原因，笔者对其进行了一系列理化检验，最后制定出改进方案。

1 理化检验

1.1 宏观观察

喷管的外表面有一条长约50 mm的横向裂缝，位于喷管尾部(见图1)。沿周边切开管体，测得壁厚为13.1～13.6 mm，基本无减薄，管体的内、外壁无堆积的附着物，横向开裂贯穿管壁。从管体的内、外壁向管壁心部垂直延伸多条平行短小裂纹，内壁裂纹较外壁数量多，且管体中部的内壁有连成近似网状的细小裂纹，开裂喷管的宏观形貌如图2所示。

1.2 化学成分分析

采用OBLF GS-1000型直读光谱仪对喷管进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：开裂喷管的化学成分符合标准GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》对12Cr1MoVG钢的技术要求。

表1 开裂喷管的化学成分分析结果 %

1.3 力学性能测试

按照GB/T 228.1—2010 《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》对试样进行室温拉伸试验，对比开裂管体与出厂钢管的屈服强度和抗拉强度，结果如表2所示。由表2可知：喷管管体受细小裂纹分布的影响，管体强度相比出厂钢管有大幅降低。

表2 开裂喷管的力学性能测试结果 MPa

1.4 金相检验

在钢管开裂的一端沿纵向截取试样，在OLYMPUS GX51型光学显微镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：其显微组织为铁素体+珠光体，球化级别为2级，未观察到蠕变孔洞，有多条从管内、外壁垂直延伸入管壁心部的平行穿晶裂纹，内部充满黑色异物。钢管的内、外壁有脱碳层，而心部的裂纹两侧无脱碳层。

1.5 能谱分析

采用扫描电镜附带的能谱仪对金相检验试样上裂纹内的黑色异物进行能谱(EDS)分析，结果如图4所示，黑色异物主要为铁和氧元素，未见氯、钾、钠、氮、硫等元素。

2 综合分析

由上述分析结果可知，开裂喷管的化学成分符合标准GB/T 5310—2017的要求，管体内、外壁分布有平行短小裂纹，从管内、外壁垂直延伸入管壁心部。喷管的显微组织正常，球化不严重，未发现蠕变孔洞，平行裂纹中充满黑色异物且两侧无脱碳层，从能谱分析黑色异物的元素含量可判断该物质是铁的氧化物，细小裂纹使管体强度与出厂钢管相比大幅降低。该再热器减温器喷管的启停较频繁，当减温器不启动时，喷管内无水流，其温度近似于外部的再热蒸汽温度(500 ℃左右)，而当减温器进行喷水调节时，喷管内进入的水流温度为200 ℃左右，前后存在约300 ℃的温差。相关文献表明：锅炉、蒸汽和燃气轮机中的某些零部件在反复加热和冷却的温度循环下，膨胀和收缩受到约束时，零件内部产生热应力，温度反复变化，热应力也随着反复变化，从而使金属材料受到疲劳损伤。表面热应变最大区域的应力集中处经常萌生热疲劳裂纹，典型的表面疲劳裂纹呈龟裂状，裂纹内充满氧化物。裂纹源一般有几个，在热循环过程中，有些裂纹发展形成主裂纹。裂纹扩展方向垂直于表面，并向纵深扩展[5-6]。

由此分析推断：该喷管的内、外壁细小裂纹属于热疲劳裂纹，特别是管内壁直接接触温度较低的水流，产生的裂纹比外壁更多；另外，由于喷管较长，其尾部直接插入固定装置，且有安装配合间隙，在再热蒸汽的作用下，插入段会有微小振动，这加速了管外壁的热疲劳裂纹扩展，使喷管尾部与固定装置的交界处最先开裂。