本文針對某電廠300MW機組鍋爐末級過熱器不銹鋼管裂開問題,進行了宏觀檢查、室溫拉伸和硬度試驗、金相組織檢驗及當量溫度計算分析,最終確定末級過熱器不銹鋼管裂開的主要原因為長時超溫過熱不銹鋼管裂開。
1概述
某電廠300MW機組選用哈爾濱三大主機廠生產(chǎn)的國產(chǎn)引進型設備，于1994年10月投產(chǎn)運行，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)化學成分分析結(jié)果表明，各管段化學成分滿足GB5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG化學成分要求，但是各管段S含量略高于GB5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG化學成分要求。
(3)室溫拉伸試驗結(jié)果表明，B1-3-2裂口上部取樣管段抗拉強度明顯低于GB5310對12Cr1MoVG鋼要求，B1-2裂口相鄰取樣管段抗拉強度在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準要求。
(4)硬度測試在金相試面上進行，各管段均在向火面和背火面各測試4點，共測試8點。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)當量溫度計算，鍋爐管在運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。隨著運行時間的增長，各管段的金屬壁溫將不斷升高。可見，氧化皮的增厚與超溫的形成緊密相聯(lián)，它最終將導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)的當量金屬溫度有一定的對應關(guān)系。某段管子不管它曾經(jīng)在何種溫度、何種應力條件下運行了多少時間，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量金屬溫度。
3結(jié)論及建議
通過上述試驗結(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，導致其抗拉強度下降，已低于標準要求;通過氧化皮測量及當量溫度計算也表明該管段存在超溫運行，因此引起該管段不銹鋼管裂開泄漏的主要原因為長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，屬于嚴重球化;該管段抗拉強度在GB5310對12Cr1MoVG鋼要求下限值附近，該管段材質(zhì)劣化較嚴重。B4-7管段的硬度、抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率雖然符合標準要求，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。