摘 要:采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗及能譜分析等方法對某余熱鍋 爐減溫器12Cr1MoVG 鋼噴管的開裂原因進行分析。結(jié)果表明:在減溫器反復啟停的過程中,流入 噴管內(nèi)水的溫度與管體的溫差較大,使噴管承受較大的交變熱應(yīng)力,在內(nèi)、外管壁形成熱疲勞裂紋, 最終導致噴管發(fā)生開裂。

關(guān)鍵詞:余熱鍋爐;減溫器;12Cr1MoVG 鋼;噴管;熱疲勞裂紋

中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)10-0064-03

在某運行2a余熱鍋爐的停爐檢修時,發(fā)現(xiàn)其 再熱器部件的減溫器噴管發(fā)生開裂。在余熱鍋爐的 運行過程中,由噴淋水來調(diào)節(jié)再熱器蒸汽溫度,以達 到余熱鍋爐主蒸汽溫度的控制要求。該再熱器減溫 器 的 最 大 工 作 壓 力 為 4.09 MPa,計 算 壁 溫 為 555 ℃;噴 管 材 料 為 12Cr1MoVG 鋼,規(guī) 格 為 89mm×13mm(外徑×壁厚)。余熱鍋爐減溫器結(jié) 構(gòu)如圖1所示。

12Cr1MoV 鋼是國內(nèi)高壓、超高壓、亞臨界電站 鍋爐過熱器、集箱和主蒸汽管道的常用材料。該鍋 爐主蒸汽管在540 ℃下安全運行10 6 h后,仍可繼 續(xù)使用[1],噴管的工作壓力和溫度符合設(shè)計使用要 求。一些關(guān)于該材料的鍋爐部件在運行中發(fā)生失效 的文獻表明:有較多鋼管長期工作在高溫環(huán)境,其顯微組織退化,晶粒內(nèi)部分布有蠕變孔洞,使鋼管的力 學性能降低,以及高溫蒸汽環(huán)境下容易發(fā)生氧化腐 蝕和應(yīng) 力 集 中,因 此 會 形 成 裂 紋 或 發(fā) 生 爆 管 問 題[2-4]。為了明確該余熱鍋爐減溫器噴管發(fā)生開裂 的原因,筆者對其進行了一系列理化檢驗,最后制定 出改進方案。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

噴管的外表面有一條長約50mm 的橫向裂縫, 位于噴管尾部(見圖1)。沿周邊切開管體,測得壁 厚為13.1~13.6 mm,基本無減薄,管體的內(nèi)、外壁 無堆積的附著物,橫向開裂貫穿管壁。從管體的內(nèi)、 外壁向管壁心部垂直延伸多條平行短小裂紋,內(nèi)壁 裂紋較外壁數(shù)量多,且管體中部的內(nèi)壁有連成近似 網(wǎng)狀的細小裂紋,開裂噴管的宏觀形貌如圖2所示。

1.2 化學成分分析

采用 OBLFGS-1000型直讀光譜儀對噴管 進 行化學成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知: 開裂噴管的化學成分符合標準 GB/T5310—2017 《高壓鍋爐用無 縫 鋼 管》對 12Cr1MoVG 鋼 的 技 術(shù) 要求。

1.3 力學性能測試

按照 GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第 1部分:室溫試驗方法》對試樣進行室溫拉伸試驗,對 比開裂管體與出廠鋼管的屈服強度和抗拉強度,結(jié)果 如表2所示。由表2可知:噴管管體受細小裂紋分布 的影響,管體強度相比出廠鋼管有大幅降低。

1.4 金相檢驗

在 鋼 管 開 裂 的 一 端 沿 縱 向 截 取 試 樣,在 OLYMPUSGX51型光學顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖 3所示。由圖3可知:其顯微組織為鐵素體+珠光 體,球化級別為2級,未觀察到蠕變孔洞,有多條從 管內(nèi)、外壁垂直延伸入管壁心部的平行穿晶裂紋,內(nèi) 部充滿黑色異物。鋼管的內(nèi)、外壁有脫碳層,而心部 的裂紋兩側(cè)無脫碳層。

1.5 能譜分析

采用掃描電鏡附帶的能譜儀對金相檢驗試樣上 裂紋內(nèi)的黑色異物進行能譜(EDS)分析,結(jié)果如圖 4所示,黑色異物主要為鐵和氧元素,未見氯、鉀、 鈉、氮、硫等元素。

2 綜合分析

由上述分析結(jié)果可知,開裂噴管的化學成分符 合標準 GB/T5310—2017的要求,管體內(nèi)、外壁分 布有平行短小裂紋,從管內(nèi)、外壁垂直延伸入管壁心 部。噴管的顯微組織正常,球化不嚴重,未發(fā)現(xiàn)蠕變 孔洞,平行裂紋中充滿黑色異物且兩側(cè)無脫碳層,從 能譜分析黑色異物的元素含量可判斷該物質(zhì)是鐵的 氧化物,細小裂紋使管體強度與出廠鋼管相比大幅 降低。該再熱器減溫器噴管的啟停較頻繁,當減溫 器不啟動時,噴管內(nèi)無水流,其溫度近似于外部的再 熱蒸汽溫度(500 ℃左右),而當減溫器進行噴水調(diào) 節(jié)時,噴管內(nèi)進入的水流溫度為200℃左右,前后存 在約300℃的溫差。相關(guān)文獻表明:鍋爐、蒸汽和燃 氣輪機中的某些零部件在反復加熱和冷卻的溫度循 環(huán)下,膨脹和收縮受到約束時,零件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng) 力,溫度反復變化,熱應(yīng)力也隨著反復變化,從而使金屬材料受到疲勞損傷。表面熱應(yīng)變最大區(qū)域的應(yīng) 力集中處經(jīng)常萌生熱疲勞裂紋,典型的表面疲勞裂 紋呈龜裂狀,裂紋內(nèi)充滿氧化物。裂紋源一般有幾 個,在熱循環(huán)過程中,有些裂紋發(fā)展形成主裂紋。裂 紋擴展方向垂直于表面,并向縱深擴展[5-6]。

由此分析推斷:該噴管的內(nèi)、外壁細小裂紋屬于 熱疲勞裂紋,特別是管內(nèi)壁直接接觸溫度較低的水 流,產(chǎn)生的裂紋比外壁更多;另外,由于噴管較長,其 尾部直接插入固定裝置,且有安裝配合間隙,在再熱 蒸汽的作用下,插入段會有微小振動,這加速了管外 壁的熱疲勞裂紋擴展,使噴管尾部與固定裝置的交 界處最先開裂。

3 結(jié)論與建議

該余熱鍋爐減溫器噴管開裂的原因是:其運行 前后管體溫差較大,使其承受較大的交變熱應(yīng)力,在內(nèi)、外管壁形成小的熱疲勞裂紋;另外,噴管尾部與固定裝置 間有安裝配合間隙,在再熱蒸汽的作用下噴管會有微小振 動,使管外壁的熱疲勞裂紋快速擴展,并最終開裂。

噴管運行時,為延緩熱疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展,建議增 加一路減溫水旁路,使噴管有持續(xù)水流以減小溫度變化。

參考文獻:

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 10期 (pp:64-66)>