摘 要:利用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡分析、顯微硬度測(cè)試及有限元模擬等方法,對(duì)某 超高壓鍋爐再熱器集箱及疏水孔內(nèi)壁裂紋的形成原因進(jìn)行研究。結(jié)果表明:機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定、 疏水管設(shè)置不合理導(dǎo)致再熱器疏水回流是集箱內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的主要原因。最后提出了改進(jìn)措施, 對(duì)保障機(jī)組的安全運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:再熱器集箱;疏水孔;裂紋熱疲勞;有限元

中圖分類號(hào):TK228; TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)06-0070-05

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,熱疲勞裂紋導(dǎo)致火力發(fā) 電機(jī)組承壓部件損壞的現(xiàn)象已明顯減少,但在一些 服役時(shí)間較長(zhǎng)的機(jī)組中,經(jīng)常因鍋爐再熱器集箱等 關(guān)鍵承壓部件結(jié)構(gòu)不合理而產(chǎn)生裂紋。這些管道及 其管座等關(guān)鍵承壓部件在服役過(guò)程中處于高溫、高 壓等苛刻的環(huán)境中時(shí),會(huì)發(fā)生蠕變、疲勞及蠕變-疲 勞交互等現(xiàn)象,若存在材料缺陷、結(jié)構(gòu)約束、焊接缺 陷、工況不穩(wěn)定等不良因素,焊縫將會(huì)發(fā)生開(kāi)裂,甚 至?xí)霈F(xiàn)爆裂事故,造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。據(jù) 統(tǒng)計(jì),在運(yùn)行期間發(fā)生破壞事故的鍋爐、壓力容器的 承壓部件中,有近 90%是由裂紋引起的,而在由裂 紋引起的事故中,由于疲勞失效產(chǎn)生的疲勞裂紋約 占40%?？梢?jiàn)承壓類特種設(shè)備的疲勞失效是絕對(duì) 不能忽視的[1]。關(guān)于鍋爐再熱器集箱及管道內(nèi)壁裂 紋的研究從未中斷[2-3]。

某型號(hào)為 XXX420/13.7-2的超高壓燃煤鍋爐 的投產(chǎn)日期為2004年10月,近年來(lái)已經(jīng)作為局域 網(wǎng)的調(diào)峰機(jī)組。其低溫再熱器出口集箱以及高溫再 熱器進(jìn)、出口集箱規(guī)格(外徑×壁厚)為419 mm× 20mm,材料為12Cr1MoVG 鋼,低溫再熱器集箱出 口壓力為3.6MPa,溫度為490 ℃;高溫再熱器出口 集箱壓力為3.45MPa,溫度為540 ℃。在機(jī)組運(yùn)行 69237h后,根據(jù)特種設(shè)備的相關(guān)法律、法規(guī)要求, 要進(jìn)行鍋爐定期內(nèi)部檢驗(yàn)。筆者對(duì)部分再熱器集箱 及疏水管進(jìn)行抽查,發(fā)現(xiàn)部分疏水孔及集箱內(nèi)壁表 面存在疑似裂紋缺陷,隨后擴(kuò)大抽查范圍,發(fā)現(xiàn)部分 母管內(nèi)壁表面存在相同類型的缺陷。為查明裂紋形 成的原因,筆者對(duì)出現(xiàn)裂紋的部件進(jìn)行了理化檢驗(yàn) 以及有限元分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

位于爐頂?shù)牡蜏卦贌崞鞒隹诩?、高溫再熱?進(jìn)口及出口集箱共有8個(gè)疏水管,具體分布位置如 圖1所示,發(fā)現(xiàn)母管內(nèi)表面存在疑似裂紋的疏水孔 編號(hào)為S1,S2,S6,S8。再熱器進(jìn)口及出口集箱的疏 水管均單獨(dú)連接到地面的集中疏水點(diǎn),疏水閥集中 布置在該處,疏水系統(tǒng)采用的疏水方式為定期疏水, 即在疏水閥疏水前,疏水管內(nèi)一直有冷凝水。在鍋 爐運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,低溫再熱器出口集 箱溫度約為490 ℃時(shí),疏水管距離母管1m 處的溫 度約為200 ℃,表明疏水管內(nèi)的蒸汽溫度比母管內(nèi) 的蒸汽溫度低,而且在短距離內(nèi)變化明顯。

進(jìn)一步檢查存在疑似裂紋的部位,發(fā)現(xiàn)存在呈 海灘形貌密集分布的龜裂狀裂紋,個(gè)別裂紋裂口明 顯且貫穿整個(gè)視場(chǎng),集箱內(nèi)壁宏觀形貌如圖2所示。 對(duì)管座角焊縫進(jìn)行磁粉檢測(cè),在編號(hào)分別為S1,S4, S8的疏水管管座及母管外表面均存在不同數(shù)量的 裂紋,部分疏水管座周圍有明顯的帶壓堵漏痕跡。

選取具有代表性的低溫再熱器出口集箱的 S1 疏水管座位置前后各200mm 范圍集箱進(jìn)行切割取 樣。對(duì)切取的試樣疏水孔周邊母管內(nèi)壁進(jìn)行滲透檢 測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖3所示,發(fā)現(xiàn)疏水孔周圍母材有 5條以管口為中心的放射狀裂紋,有幾條已經(jīng)貫穿 內(nèi)壁和外壁。從管口開(kāi)始,沿蒸汽流向200 mm× 150mm 范圍的管壁內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)大量細(xì)密裂紋(見(jiàn) 圖4),均呈典型的海灘狀裂紋條帶。其中,母管內(nèi) 壁焊縫兩側(cè)加工過(guò)渡坡口的倒角處有兩條明顯的橫 向裂紋,且已經(jīng)貫穿內(nèi)壁和外壁。

取S1疏水管附近部分母材為試樣(見(jiàn)圖5編號(hào)C試樣),對(duì)其進(jìn)行打磨和拋光,選擇軸向切面作為 分析對(duì)象。可以發(fā)現(xiàn),靠近疏水孔位置管壁內(nèi)表面分布著長(zhǎng)短不一的裂紋,長(zhǎng)度普遍小于1mm,部分 裂紋長(zhǎng)度超過(guò)5 mm,最長(zhǎng)的兩條裂紋分別編號(hào)為 1,2,試樣 C的軸向切面宏觀形貌如圖6所示。

1.2 化學(xué)成分分析

采用 GS1000-Ⅱ型真空直讀光譜儀對(duì)試樣 C進(jìn) 行化學(xué)成分分析,對(duì)軸向切面隨機(jī)選擇3個(gè)位置進(jìn) 行分析,結(jié)果如表1所示。由表1可以看出,試樣 C 的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T5310—2017《高壓鍋爐 用無(wú)縫鋼管》關(guān)于12Cr1MoVG 鋼的相關(guān)要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

依據(jù) GB/T13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn) 方法》對(duì)試樣軸向切面打磨、拋光后進(jìn)行金相檢驗(yàn)。 根據(jù) DL/T773—2016《火電廠用12Cr1MOV 鋼球 化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)試樣進(jìn)行球化評(píng)級(jí),試樣正常區(qū)域組 織為鐵素體+珠光體,3級(jí)球化,符合使用要求。編 號(hào)為1,2的裂紋起源于母管內(nèi)壁,并垂直于管壁由 內(nèi)向外擴(kuò)展,裂紋開(kāi)口較大,裂紋擴(kuò)展前沿形狀圓鈍 且貫穿晶粒。主裂紋上伴有大量二次裂紋,均為穿 晶擴(kuò)展,裂紋尖端的微觀形貌如圖7所示。

1.4 顯微硬度測(cè)試

采用 PTI-3000D 型智能數(shù)字化顯微硬度測(cè)試 儀檢測(cè)試樣表面的顯微硬度,檢測(cè)點(diǎn)位于試樣 C 軸 向切面的中間位置,每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為0.5mm,一共 測(cè)試了20個(gè)點(diǎn),將硬度測(cè)試結(jié)果換算成布氏硬度, 結(jié)果分別為 160,162,161,158,159,157,159,160, 155,157,156,158,160,158,159,162,157,158,161, 160HB,試 樣 的 平 均 硬 度 符 合 DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》相關(guān)規(guī)定。

1.5 掃描電鏡及能譜分析

選取靠近2號(hào)裂紋尖端和裂紋根部的兩處位置 進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析,結(jié)果如圖8和表2 所示,可以看出在裂紋縫隙中充滿了黑色物質(zhì)。裂 紋中的填充物主要是鐵的氧化物,部分位置含有少 量的鉻元素。結(jié)合裂紋形態(tài)可知裂紋擴(kuò)展速度較 慢,存在長(zhǎng)期氧化情況,從而表現(xiàn)出熱疲勞特征[4-5]。

2 有限元分析

根據(jù)前期的分析結(jié)果,對(duì)產(chǎn)生裂紋的位置及裂 紋分布情況進(jìn)行初步判斷,得出疏水管內(nèi)的冷凝水 回流導(dǎo) 致 裂 紋 產(chǎn) 生。一 次 閥 內(nèi) 的 疏 水 管 形 成 “盲 管”,“盲管”遠(yuǎn)端的溫度較低,蒸汽冷凝成水,當(dāng)再熱 器集箱內(nèi)的蒸汽溫度低于飽和蒸汽溫度時(shí),冷凝水 就會(huì)回流。

為了從理論上分析冷凝水回流時(shí)的溫度場(chǎng)變化 及影響范圍,利用 Fluent軟件按實(shí)際工況對(duì)再熱器 集箱及疏水管進(jìn)行建模,對(duì)管內(nèi)水的流動(dòng)情況進(jìn)行 有限元分析。

采用二維模型、能量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型、 mixture兩相流模型、蒸發(fā)冷凝模型等來(lái)模擬疏水 管內(nèi)存水的蒸發(fā)過(guò)程,設(shè)置第一相為水蒸氣,第二相 為水。

幾何尺寸及網(wǎng)格劃分:流體域幾何尺寸與管道實(shí) 際尺寸一致,熱段管道內(nèi)徑為379mm,疏水管內(nèi)徑為 24mm,網(wǎng)格劃分采用自適應(yīng)網(wǎng)格,邊界層劃分為5層, 劃分網(wǎng)格數(shù)共97464個(gè)單元,99201個(gè)節(jié)點(diǎn)。

進(jìn)口 采 用 壓 力 進(jìn) 口 邊 界 條 件,介 質(zhì) 為 壓 力 3.6MPa、溫度470 ℃的水蒸氣,第一相體積分?jǐn)?shù)為 100%,出口采用壓力出口邊界條件,熱段管道壁面 為絕熱邊界,疏水管壁面對(duì)流換熱系數(shù)由大空間自 然對(duì)流換熱努賽爾數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算獲得;同時(shí)將 疏水管下部區(qū)域初始化為第二相體積分?jǐn)?shù)為100% 的水空間,水位線距管口400 mm。冷凝水回流有 限元分析結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知:冷凝水回流至管口和水蒸氣體積 分?jǐn)?shù)變化說(shuō)明蒸發(fā)的混合物沿介質(zhì)方向流出,且貼 近壁面[見(jiàn)圖9a)];管口附近的溫度下降明顯[見(jiàn)圖 9b)],產(chǎn)生熱應(yīng)力,經(jīng)多次重復(fù)后易出現(xiàn)熱疲勞。

3 綜合分析

實(shí)際溫度測(cè)量數(shù)據(jù)證明了較長(zhǎng)的盲管在一定條 件下會(huì)產(chǎn)生冷凝水[6]。研究表明,即使壓差波動(dòng)很 小,疏水管內(nèi)的冷凝水也會(huì)部分蒸發(fā)回流到再熱器 集箱。李勇軍等[7]的研究表明,疏水管中的冷凝水 在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)會(huì)回流,母管疏水口附近的內(nèi)表 面被反復(fù)強(qiáng)制冷卻,形成較大的周期性熱應(yīng)力。

該機(jī)組運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)達(dá)到7×10 4 h,作為局域 網(wǎng)的調(diào)峰機(jī)組,該機(jī)組啟停次數(shù)相對(duì)較多,負(fù)荷波動(dòng) 較頻繁,冷凝水周期性回流,在疏水孔及集箱內(nèi)壁表 面形成周期性冷熱交替,部分集箱內(nèi)壁表面形成海 灘狀疲勞條帶,疏水孔內(nèi)壁形成放射狀裂紋。隨著 時(shí)間的推移,內(nèi)表面的裂紋貫穿管壁。如果宏觀斷口上有疲勞弧線和疲勞臺(tái)階(又稱為疲勞勾線),或 者微觀斷口上有疲勞條帶,就可以判定該斷口為疲 勞斷口。圖10為裂紋表面的微觀形貌,由圖10可 以看出:裂紋表面存在疲勞條帶,與分析結(jié)果吻合。 疲勞失效是最危險(xiǎn)的失效形式之一,構(gòu)件在疲勞失 效時(shí)一般沒(méi)有宏觀塑性變形,可能造成災(zāi)難性后果。

4 結(jié)語(yǔ)和改進(jìn)措施

(1)疏水管及疏水方式設(shè)置不合理,管內(nèi)蓄積 大量冷凝水,加上機(jī)組啟停、負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致疏水管內(nèi) 冷凝水回流。再熱器集箱疏水孔及內(nèi)壁被強(qiáng)制冷 卻,承受了較大的交變應(yīng)力。

(2)調(diào)峰機(jī)組啟停頻繁、負(fù)荷波動(dòng)劇烈等特殊 工況加速了熱疲勞失效的進(jìn)程。

(3)建議對(duì)發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋的管段進(jìn)行更換,不 能更換管段的集箱應(yīng)整體更換。

(4)建議對(duì)疏水系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),改為連續(xù)疏水 或者將閥門(mén)的位置前移到疏水管座附近。

(5)建議加強(qiáng)對(duì)疏水系統(tǒng)的日常巡查,注意檢 查疏水管附近的存水情況,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)分析原 因并處理。

(6)建議加強(qiáng)機(jī)組的運(yùn)行管理,尤其在機(jī)組負(fù) 荷波動(dòng)較大時(shí),負(fù)荷的變動(dòng)要符合運(yùn)行操作規(guī)程。

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