本文針對某電廠300MW機(jī)組鍋爐末級過熱器不銹鋼管裂開問題,進(jìn)行了宏觀檢查、室溫拉伸和硬度試驗(yàn)、金相組織檢驗(yàn)及當(dāng)量溫度計(jì)算分析,最終確定末級過熱器不銹鋼管裂開的主要原因?yàn)殚L時超溫過熱不銹鋼管裂開。
1概述
某電廠300MW機(jī)組選用哈爾濱三大主機(jī)廠生產(chǎn)的國產(chǎn)引進(jìn)型設(shè)備，于1994年10月投產(chǎn)運(yùn)行，鍋爐末級過熱器材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為Φ51×9mm。2018年7月，鍋爐末級過熱器B數(shù)第1屏迎火側(cè)第3根發(fā)生不銹鋼管裂開，取樣管段如圖1所示，取樣管段信息見表1。
2試驗(yàn)內(nèi)容與分析
(1)宏觀檢查，裂口呈魚嘴狀，裂口的斷口較平整，斷面呈顆粒狀，減薄不明顯，裂口附近有較多平行于裂口的未穿透裂紋，管子及裂口內(nèi)外表面呈青灰色，脆性的氧化鐵皮上有許多縱向紋。從裂口宏觀特征來看，不銹鋼管裂開具有長時過熱特征。尺寸測量結(jié)果也表明，裂口管存在明顯的脹粗現(xiàn)象。圖2為裂口管段宏觀形貌。
(2)化學(xué)成分分析結(jié)果表明，各管段化學(xué)成分滿足GB5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG化學(xué)成分要求，但是各管段S含量略高于GB5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG化學(xué)成分要求。
(3)室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，B1-3-2裂口上部取樣管段抗拉強(qiáng)度明顯低于GB5310對12Cr1MoVG鋼要求，B1-2裂口相鄰取樣管段抗拉強(qiáng)度在GB5310對12Cr1MoVG鋼要求下限值附近，B4-7對比管段取樣拉伸性能仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
(4)硬度測試在金相試面上進(jìn)行，各管段均在向火面和背火面各測試4點(diǎn)，共測試8點(diǎn)。由測試結(jié)果可見，B1-3-1裂口附近J1試樣向火面硬度在DL/T438-2016對12Cr1MoVG硬度的要求下限值附近。其余管段硬度較為均勻，滿足DL/T438-2016對12Cr1MoVG鋼管硬度的要求。(5)對B1-3-1管段裂口附近取樣J1及裂口遠(yuǎn)端取樣J2母材金相觀察可見，金相組織為鐵素體+碳化物，碳化物粒子在鐵素體晶界上分布，晶粒度約7～8級，球化級別4.5級，屬于嚴(yán)重球化，見圖3、圖4。
裂口上部取樣管B1-3-2和裂口相鄰管取樣B1-2管段試樣母材金相組織為鐵素體+碳化物，碳化物粒子在鐵素體晶界上分布，晶粒度約7～8級，球化級別4.5級，屬于嚴(yán)重球化。對比管B4-7管段試樣母材金相組織為鐵素體+碳化物，大部分的碳化物已分布在鐵素體晶界上，有少量的珠光體或貝氏體區(qū)域，晶粒度約7～8級，球化級別4級，屬于完全球化，見圖5、圖6。
(6)當(dāng)量溫度計(jì)算，鍋爐管在運(yùn)行過程中由于受到蒸汽介質(zhì)作用，在管子內(nèi)壁會形成一層致密的氧化皮。氧化皮的傳熱熱阻較大，阻隔了蒸汽介質(zhì)與管壁金屬的熱量交換，從而導(dǎo)致管壁金屬溫度升高，而溫度升高又加速了其氧化過程。隨著運(yùn)行時間的增長，各管段的金屬壁溫將不斷升高?？梢?，氧化皮的增厚與超溫的形成緊密相聯(lián)，它最終將導(dǎo)致管子蠕變失效或過熱不銹鋼管裂開。
同時，高溫鍋爐管內(nèi)壁氧化皮的增長厚度與其在該段服役期內(nèi)的當(dāng)量金屬溫度有一定的對應(yīng)關(guān)系。某段管子不管它曾經(jīng)在何種溫度、何種應(yīng)力條件下運(yùn)行了多少時間，其壽命的損耗程度總可以等效于在某一固定的金屬溫度及特定的應(yīng)力條件下服役了相同時間，這個等效的金屬溫度就稱之為當(dāng)量金屬溫度。
3結(jié)論及建議
通過上述試驗(yàn)結(jié)果及分析，得出以下結(jié)論:
取樣管段B1-3材質(zhì)球化程度較重，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度下降，已低于標(biāo)準(zhǔn)要求;通過氧化皮測量及當(dāng)量溫度計(jì)算也表明該管段存在超溫運(yùn)行，因此引起該管段不銹鋼管裂開泄漏的主要原因?yàn)殚L時超溫過熱不銹鋼管裂開。
對比分析的B1-2管段母材金相組織為鐵素體+碳化物，碳化物粒子在鐵素體晶界上分布，晶粒度約7～8級，球化級別4.5級，屬于嚴(yán)重球化;該管段抗拉強(qiáng)度在GB5310對12Cr1MoVG鋼要求下限值附近，該管段材質(zhì)劣化較嚴(yán)重。B4-7管段的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率雖然符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但試樣母材金相組織為鐵素體+碳化物，大部分的碳化物已分布在鐵素體晶界上，有少量的珠光體或貝氏體區(qū)域，球化級別4級，屬于完全球化，晶粒度約7～8級。
針對上述結(jié)論，鑒于末級過熱器管材已運(yùn)行約15萬小時，建議針對末級過熱器管排選取有代表性的部分管段進(jìn)行剩余壽命評估，根據(jù)評估結(jié)果有針對性地制定處理措施。