H型鳍片式省煤器泄漏失效分析

2022-11-24王云

新型工业化 2022年9期

王云

中国能源建设集团山西电力建设有限公司，山西太原，030031

0 引言

H型鳍片式省煤器在保持工质吸热量不变的前提下，可增大横向节距，降低烟速，在同一空间可布置较多的受热面，使工质的吸热量增加，以达到降低排烟温度、提高锅炉效率的目的[1]。省煤器常见的泄漏原因有原始缺陷、氢腐蚀、垢下腐蚀、氧腐蚀等，关于省煤器等四管泄漏原因的研究一直以来备受重视[2]。某电站锅炉运行中发生H型鳍片式省煤器鳍片端部开裂，泄漏失效事故。本文对开裂的省煤器鳍片端裂纹进行宏观检测及金相检测，对管材进行化学成分分析以及力学性能检验，分析研究省煤器鳍片端泄漏失效的原因，避免同类事故的发生[3]。

1 理化检测

1.1 宏观检测

对送检的两根试样管段外部进行宏观观察，可见管段外壁腐蚀严重，裂纹在H型鳍片端部，见图1。

图1 H型鳍片省煤器样管外观（a-c）

对A管裂纹解刨后宏观观察，可发现裂纹周向分布，外壁测量长约15mm，内壁测量长约7mm。裂纹形态曲折，中间部位位移量大于两侧。裂纹尖端外壁较尖，内壁较圆钝。此外，裂纹开裂面上无严重泄漏冲刷痕迹，裂纹附近的外管壁有冲刷减薄。鳍片处焊缝表面有焊接孔洞，见图2。

图2 A管裂纹外观（a-g）

对B管裂纹解刨后宏观观察，可发现裂纹周向分布，外壁测量长约25mm，内壁测量长约15mm。裂纹形态沿焊接鳍片端部略有弧度弯曲，中间部位位移量大于两侧。裂纹尖端外壁较尖，内壁尖度减弱[4]。此外，裂纹开裂面上无严重泄漏冲刷痕迹，裂纹附近的外管壁有严重冲刷减薄，见图3。

图3 B管裂纹外观（a-e）

裂纹剖开后，两断口均锈蚀严重，流水冲刷痕迹不显著。纹理观察可确定，断口无明显塑性变形，为由外而内开裂，见图4。

图4 裂纹剖开后的断口（a-b）

1.2 微观分析

试样管断口面被厚厚的腐蚀产物覆盖，断口细节无法分辨。根据断口纹理，可观察到外壁裂源处断口起伏大，类似疲劳裂纹的疲劳沟线特征，见图5a、5b。近内壁处较平坦，内壁为剪切平面，见图5c、5d。原始裂纹与人工压开处裂纹休止线呈光滑曲线状，见图5e。人工新开断口为韧窝，见图5f。能谱见图5g。断口腐蚀产物能谱分析为O、Na、S、P、Si等元素，见表1。

表1 断口腐蚀产物能谱分析表

图5 试样管断口微观分析

1.3 化学成分分析

试样管化学成分分析见表2。采用直读光谱仪进行光谱分析，检验结果表明，试样管化学成分符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》表7对20G材质元素含量的要求。

表2 省煤器试样管化学成分表

1.4 力学性能测试

1.4.1 拉伸试验

对管件向火面（A1-A4）、背火面（B1-B4），各取4根试样进行拉伸试验，结果见表3。拉伸试验结果表明，符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》表7对20G的要求。

表3 试样管拉伸试验结果

1.4.2 硬度检验

环状试样进行显微维氏硬度检验，检验结果见表4。试验结果表明，硬度符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》表7对20G的要求。

表4 试样管维氏硬度值

1.4.3 尺寸测量

对试样进行尺寸测量，结果见表5。测量结果表明，省煤器管已经减薄，可能导致减薄的原因有内部冲刷和外部烟气冲刷。

表5 试样管外观尺寸

1.5 金相检测

依据DL/T 674-1999，对试样管向火面、背火面，进行组织评定。显示球化级别：1.5级，组织特征：珠光体中的碳化物部分开始分散，珠光体形态明显，见图6。

图6 试样管断口金相图样（a-b）

鳍片与省煤器管角焊缝有多处孔洞、夹渣等缺陷，焊缝组织呈粗大柱状晶排布，见图7。

图7 试样管鳍片角焊缝金相图样（a-f）

垂直人工剖开断口，试样镶嵌后观察，断口旁无夹杂物，无微裂纹。试样经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，裂源尖端材料损伤，残留部位未发现焊接热影响组织。断口面穿晶扩展，断面平齐，见图8。

2 分析与讨论

2.1 材质方面

试样管材质所含元素符合20G材质范围要求；力学拉伸性能合格、硬度合格；金相组织球化级别为1.5级，合格。鳍片焊接质量差，夹渣、孔洞类缺陷多。焊接组织粗大，热影响区范围较宽，焊接热输入量偏大。

2.2 裂纹分析

裂纹位于焊接鳍片端部，为由外壁向内壁开裂。裂纹中间开口较宽，两端尖细，说明在裂纹扩展过程中，省煤器管持续受到张开型拉应力；打开裂纹后的断口无宏观塑性变形；微观观察，裂纹旁无夹杂物、无微裂纹，呈穿晶扩展。断口腐蚀产物为O、S、Cl、Pb等元素，为裂纹开裂后，烟道中烟气进入所致。这一系列特征可以排除夹杂物等纯冶金缺陷或腐蚀疲劳开裂，可以确定开裂模式只有脆性开裂或机械疲劳两种模式[5]。