梁亞飛
華電電力科學研究院有限公司 浙江杭州 310030
火力發(fā)電是我國主要的電力來源,2018年火電占比為73.32%。電站鍋爐是火力發(fā)電的三大設備之一[1]。鍋爐管的失效經常影響鍋爐管的安全運行,因此分析鍋爐管失效的原因并提出相應的預防措施是十分重要的。
背景介紹:某電廠過熱器出現爆管現象,經查閱原圖紙資料,該處過熱器設計材質為12Cr1MoV。
過熱器管外觀及斷口情況:研究發(fā)現,爆破管具有明顯的塑性變形,裂縫為縱向裂縫,裂縫在斷口處呈刀口狀,爆破口為尖喇叭形,具有韌性斷裂的特征。的缺口很大,爆管的內壁是干凈的,沒有明顯的腐蝕,斷裂的斷口表面光滑,表面有一層氧化層的破裂,已被剝掉的一部分。噴嘴管邊緣的厚度是2.8毫米,和氧化層現有噴嘴邊緣是0.2毫米。
圖1 失效過熱器管
圖2 爆口情況
從管段開始研磨拋光,用MC10-HBS-3000形硬度測量器進行了布氏硬度試驗,結果顯示負荷為7.35kN,保持時間為15s,硬度平均為125.9HBW,與普通的12cr1mov鋼相比硬度顯著降低[2]。
在爆炸口附近的直管段試做取管的縱的拉伸,取4個地方的號碼進行拉伸實驗。耐拉強度和屈服強度幾乎不一致。耐拉強度明顯降低,斷后拉伸率與12cr1mov鋼的標準基本一致。結果見表1。
表1 拉伸試驗結果
從過熱器管道提取塊狀樣品,用角磨削機磨成平面,由德國布魯克全譜火花直讀分光器Q4TASMAN對樣品進行化學成分分析的結果,表面2中顯示出了材料化學成分的質量分數(%)。根據標準GB5310-2017,在表3中示出了12cr1mov的化學成分。與此形成對比的是,石墨的成分與標準成分相差很大,特別是石墨中不含金屬釩(V)。結合了硬度和拉伸試驗的結果,判斷有安裝時的材質使用錯誤的可能性。
故障加熱器的裂痕和從內部提取的兩個樣品(1#和2#)分別進行裝配加工,并由xq-2b裝配機裝配,然后經過粗磨、細磨、研磨、沖刷觀察樣品,并用DMI3000M型金相顯微鏡觀察。據試料金相介紹,管道微細組織主要是鐵素體和碳化物,珠光體的形態(tài)幾乎消失。
從過熱器管的爆炸口提取樣品,利用掃描鏡對爆炸口表面進行微細的形狀分析。發(fā)現煤化物剝落的孔,裂紋只擴大了1個,裂紋向晶界蔓延著。通過拉伸試驗得出的切口是在掃描電鏡下的形態(tài),典型的韌韌形態(tài)的斷裂是延性斷裂[3]。氧化皮的主要成分是Fe3O4,從成分表中可以看出它含有大量的碳元素。從以上信息中可以看出,使用過熱管道的鋼材應該是錯誤的,而使用不當的鋼材被認為是15CrMoG。
故障的主要原因是材料使用不當,由于使用了15crmog來代替12cr1mov鋼,材料的強度和抗氧化能力達不到要求,在管外容易發(fā)生氧化。當在管的外部存在氧化皮時,過熱器管吸收熱而不均勻,形成熱集中。
宏觀檢查結果表明,爆口口徑和脹粗量相對較小,爆口外表面氧化嚴重,部分氧化層出現剝落,爆口附近外壁存在大量沿鋼管縱向方向的平行裂紋。力學性能檢驗結果表明,過熱器管向火側屈服強度和硬度值都接近或低于標準要求下限值,而爆口附近的硬度值則明顯低于標準要求。掃描電鏡形貌結果表明,爆口處存在大量的宏觀及微觀蠕變裂紋,晶界處析出大量的碳化物;存在較多的空隙,這種空隙將加速氣相由外往內的傳輸。
表2 所測材質化學成分(質量分數)%
表3 12Cr1MoVG化學成分(質量分數)%
圖3 拉伸斷口
過熱器管內壁在高溫和蒸汽環(huán)境下發(fā)生氧化,阻礙了蒸汽介質與管壁的熱量交換,使得管壁溫度升高,而溫度升高時又進一步加速內壁氧化皮的生長。具有分層結構的氧化皮層間結合力較差,同時氧化皮與基體金屬熱膨脹系數差異較大,并且隨著溫度的升高,鐵的氧化物熱膨脹系數逐漸增大,在啟停、運行中爐溫驟變及反復波動情況下,在蒸汽的吹刷下氧化皮容易發(fā)生剝落并在下彎管部位堆積,導致管子流通截面減少、介質流量降低而造成鋼管局部出現超溫過熱。