某电厂屏式过热器频繁泄漏原因分析.pdf

86VOL.43No.4某电厂屏式过热器频繁泄漏原因分析冯成凯1，汪博2,3，赵炜炜2,3，赵宁宁2,3(1.浙江浙能乐清发电有限责任公司，浙江 温州 325600；2.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311121；3.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，浙江 杭州 311121)摘要：某电厂两年内屏式过热器频繁发生泄漏，泄漏位置均在垂直定位弯管托块上、下部焊接处。通过切割失效管样进行宏观、显微组织及硬度检验，对屏式过热器频繁泄漏的原因进行分析。结果表明：屏式过热器垂直定位弯管托块上下部异种钢角焊缝存在未熔合缺陷。在运行过程中由于托块和母材之间的热膨胀差引起热应力，在托块上下部横向焊缝根部产生应力集中，正好沿未熔合缺陷处起裂。托块上部焊缝因承受拉应力，裂纹扩展较快，最终导致泄漏。据此提出了针对性反措，可为同类问题提供借鉴和参考。关键词：屏式过热器；垂直定位管；托块；原因分析中图分类号：TG40文献标识码：ADOI：10.16189/j.nygc.2023.04.013Cause analysis on frequent leakage of platen superheater in a power plantFENG Chengkai1,WANG Bo2,3,ZHAO Weiwei2,3,ZHAO Ningning2,3（1.Zhejiang Zheneng yueqing Power Generation Co.,Ltd.,Wenzhou,325600,China;2.Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.,Ltd.,Hangzhou,311121,China;3.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Energy Conservation&Pollutant Control Technology for Thermal Power,Hangzhou,311121,China）Abstract:Platen superheater leakage occurrs frequently of a power plant in the latest two years.The leakage positions are at the upper and lower welding positions of the vertical positioning elbow support block.The causes of frequent leakage of platen superheater are analyzed by macroscopic,microscopic and hardness tests of the cut tube failure samples.The results show that the dissimilar steel fillet welds on the upper and lower parts of the vertical positioning elbow support block of platen superheater have incomplete fusion defects.During operation,thermal stress is caused by the thermal expansion difference between support block and base metal,which produces stress concentration at the root of the transverse weld on the upper and lower parts of the support block,and cracks just along the incomplete fusion defect.The weld on the upper part of support block bears tensile stress,and the crack expands rapidly,which eventually leads to leakage.Key words:platen superheater;vertical positioning tube;support block;cause analysis收稿日期：2023-02-27作者简介：冯成凯(1986-)，男，浙江温州人，工程师，从事电厂锅炉设备检修管理工作。通讯作者：汪博(1994-)，男，湖北咸宁人，硕士，研究方向为电厂金属材料的服役状态评估及高温部件失效分析。0引言屏式过热器是现代大型锅炉过热器受热面的主要组成部分，通常布置在炉膛上部或炉膛出口烟窗处，既接受炉内的直接辐射热，又吸收烟气的对流热，可以承受高热蒸汽温度1。某电厂 4号机组锅炉由上海锅炉厂设计制造，型号为 SG-1025/17.5-M869，系引进美国ABB-CE公司技术，由上海锅炉厂制造的亚临界压力中间一次再热控制循环汽包炉，采用中速磨直吹式制粉系统，单炉膛 型露天布置、四角切向燃烧，喷嘴摆动调温，平衡通风、全钢架悬吊结构，固态排渣，VOL.43No.4Aug.2023第 43 卷第 4 期2023 年 8 月能 源 工 程ENERGY ENGINEERING87第 43 卷第 4 期能 源 工 程燃用具有结渣性的烟煤。该锅炉分隔屏过热器共 4 片布置于炉膛出口上部，每片分 6 组，每组由 9 根并联套管组成，管子外径均为 51 mm，除最外圈底部用合金钢 SA213-T91 外，其余均为12CrlMoVG 和 15CrMo 合金钢。锅炉屏式过热器垂直定位弯管托块上下部焊接处曾连续三次发生泄漏，前两次发生在水压试验过程中，泄漏位点分别在右数第 2 片分隔屏过热器前数第 1 根左侧垂直定位弯管托块上部焊接处和右数第 1 片分隔屏过热器前数第 1 根左侧垂直定位弯管托块下部焊接处。第 3 次发生在机组运行过程中，泄漏位置在锅炉标高 46.3m 层，右数第 3 片分隔屏过热器前数第 1 根垂直定位弯管托块上、下部焊接处，本次泄漏导致分隔屏管破损 5 根（屏左侧水平自夹紧管 1 根，517.5mm TP-347H；左侧垂直定位弯管 1 根，516mm 12Cr1MoV；分隔屏直管3 根，定位管前侧为 2 根，516mm 15CrMo；后侧为 1 根，516mm 12Cr1MoV），吹损减薄达到换管标准 13 根，共计换管 18 根。泄漏的弯管材质为 12CrlMoVG，托块的材质为 309S 奥氏体不锈钢，三次泄漏情况如图 1 所示。12Cr1MoVG 材质适用于壁温不超过 580的受热面管，在 580以下具有良好的组织稳定性和热强性，通过在钢中加入少量金属钒可有效降低铬、钼合金元素形成碳化物的速率，且钒形成的强碳化物可弥散分布在铁素体基体上，起到良好弥散强化作用2,3。309S 奥氏体耐热不锈钢属于高 Cr、Ni 奥氏体型不锈钢，在氧化性介质中具有优良的性能，同时具有优良的高温力学性能，广泛应用于锅炉、压力容器、冶金和石油化工等工业设备的高温构件4-7。近年来，锅炉四管泄漏事故频发，能源保供面临巨大的压力。为查明该锅炉屏式过热器频繁泄漏的原因，主要针对第 3 次泄漏的管样进行了宏观检查分析、化学成分分析、显微组织观察、力学性能检测，提出了针对性反措，旨在避免类似事故再次发生，并为国内其他锅炉同类型问题提供借鉴和参考。（a）2020 年水压试验泄漏（b）2021 年水压试验泄漏（c）2021 年失效泄漏图 1三次泄漏现场情况1理化检验1.1宏观分析图 2 所示为泄漏管样之间的吹损情况，左侧垂直定位弯管托块上下部焊缝处均可见裂纹，托块上部已与水平自夹紧管脱开，共有 9 处爆泄口，均处在垂直定位管与水平自夹紧管交界区域。结合前两次大屏管组相同位置（托块上下部焊缝处）泄漏情况，以及本次泄漏管样爆口位置，认为垂直定位管弯管处托块的上部焊缝裂纹为首爆口可能性最大，后管子间按照1 3 2 4 5/6/8 7/9 顺序发生互吹，导致大屏 9 处泄漏，10 多根管子吹薄。将图 2 中带有托块的试样分别沿横向和纵向剖开，如图3(a)所示，托块上部焊缝处的裂纹已经裂穿至内壁，而下部焊缝的裂纹还未穿透，证明了上部焊缝裂纹为首爆口。88VOL.43No.4图 2泄漏互吹情况分析（a）试样纵剖面（b）试样横剖面图 3试样横、纵剖情况分析1.2化学成分分析利用手持式光谱仪对首爆管样、焊缝和托块进行化学成分分析，结果如表 1 所示。可见该失效管样符合GB/T 5310-2017 高压锅炉用无缝钢管8对 12Cr1MoVG 化学成分的要求，可以排除材质不当导致性能不足引起泄漏的可能性，焊缝材质介于管子与托块之间，托块材质符合 309S奥氏体不锈钢的成分标准。表 1 失效管化学成分元素Mn/%Cr/%Mo/%V/%Ni/%样品0.5330.9980.2790.197/标准0.40.70.91.20.250.350.150.3/焊缝1.4413.981.1120.1229.76托块1.6622.45/14.851.3金相检验对托块上部横向裂纹（首爆口）的中心处和边缘处分别进行机械切割取样，试样经镶嵌、粗磨、细磨、物理抛光后，采用 4%硝酸酒精溶液进行化学浸蚀，观察其显微组织形貌。图 4 所示为侵蚀后的宏观照片，裂纹中心处外壁熔合线位置开口较大，为起裂处，裂纹沿母材正火区垂直向内壁贯穿整个管壁 图 4(a)，母材热影响区较小，且在焊缝与母材之间有未焊透部分；边缘处裂纹也是沿母材正火区垂直内壁方向贯穿整个管壁 图 4(b)，但母材热影响区覆盖整个管壁。图 5 所示为裂纹中心起裂处金相组织，熔合线附近金相组织为铁素体贝氏体，热影响区组织为铁素体粒状贝氏体，基体组织为珠光体铁素体，球化级别为 2 级。裂纹在外壁的起裂点为焊缝组织与母材的熔合线，裂纹中有氧化皮，且氧化皮较致密，可见裂纹生成的时间较久，同时起裂处焊缝与母材熔合较差，表明托块焊缝的未熔合可能是裂纹起裂源。（a）裂纹中心处（b）裂纹边缘图 4托块上部裂纹金相组织（a）起裂处 （b）扩展区 （c）尾部 （d）热影响区 （e）母材（f）母材图 5裂纹中心处金相组织冯成凯等：某电厂屏式过热器频繁泄漏原因分析89第 43 卷第 4 期能 源 工 程图 6 所示为裂纹边缘处的金相组织，热影响区组织为铁素体贝氏体，基体组织为珠光体铁素体，球化级别为 2 级，与裂纹中心处金相组织相同。（a）热影响区（b）热影响区（c）母材（d）母材图 6裂纹边缘金相组织在托块下部裂纹中心处和边缘位置分别纵向剖开。如图 7 所示，横向裂纹中心处有两条裂纹，上方裂纹较短沿外壁熔合线位置起裂，随后沿母材正火区垂直内壁方向扩展 图 7(a)，下方裂纹较长，沿母材垂直内壁方向扩展；远离中心起裂位置裂纹沿母材垂直内壁方向扩展 图 7(b)，母材热影响区覆盖整个管壁。图 8 所示为图 7(a)裂纹中心处金相组织，热影响区组织为铁素体粒状贝氏体，基体组织为珠光体铁素体，球化级别为 2 级。裂纹中氧化皮较厚，可见裂纹生成的时间较久。图 9 所示为图 7(b)裂纹边缘处金相组织，与中心位置处组织相同。（a）裂纹中心处（b）裂纹边缘图 7托块下部裂纹金相组织图 8裂纹中心处金相组织图 9裂纹边缘金相组织1.4硬度检测图 4 所示的取样管的显微硬度检测结果如图 10 所示，托块上部裂纹中心处试样母材硬度值范围为 148174 HV 图 10(a)，符合GB/T 5310-2017 高压锅炉用无缝钢管8标准对12Cr1MoVG 硬度（135195HV）的要求；远离中心起裂位置试样焊缝硬度值范围为 215226 HV，母材热影响区焊缝硬度值范围为 198229 HV 图 10(b)。2分析与讨论经 过 光 谱 检 验，垂 直 定 位 弯 管 材 质 为12Cr1MoV、托块材质为 309S，管样成分满足标准要求，由此排除材质不合格对爆管的影响。垂直定位弯管样的金相组织无异常，硬度检测结果均满足标准要求。由管样宏观形貌可知，垂直定位弯管托块的上部焊缝处裂纹为首爆口，裂纹起源于托块上部横向异种钢角焊缝 12Cr1MoV 母材90VOL.43No.4图 10取样管显微硬度检测结果侧的熔合线位置，同时托块下部焊缝处也存在深度超过壁厚一半的裂纹，托块上下角焊缝处局部母材与焊缝之间熔合较差，存在未熔合缺陷。运行过程中，由于托块处温度远高于管子母材，同时奥氏体不锈钢热膨胀系数为母材 2 倍以上9,10，在托块的上下焊缝外表面处受最大拘束应力，同时托块还承受到水平自夹紧管的重量和冲击，就会在托块上部产生较大拉应力。长期运行后在托块角焊缝的熔合线位置的缺陷处开裂，上部焊缝裂纹受力较下部大，导致裂纹扩展较快，最终引起管子泄漏；这与托块下部裂纹开口很大，但裂纹尖端不尖锐且扩展较慢的现象相吻合。3结论及建议综上所述，由于垂直定位弯管托块上下部异种钢角焊缝存在未熔合缺陷，在运行过程中，受托块和母材之间热膨胀差引起热应力，在托块上下部横向焊缝根部产生应力集中，沿未熔合缺陷处起裂，托块上部焊缝因承受拉应力，裂纹扩展较快，最终形成泄漏。根据以上泄漏原因提出了以下一些措施和建议：1）在机组检修时对分隔屏过热器所有垂直定位管上的托块焊缝进行全面 PT 检查，发现裂纹及时处理；2）对垂直定位管与水平夹紧管的固定方式进行变更，不使用焊接托块，而是采用外部整体抱箍形式进行固定，以消除托块与母材的膨胀差。参考文献1 吕岩婷,李军,蒋菲,等.某锅炉屏式过热器爆管失效分析 J.甘肃科技,2021,37(9)：15-17.2 李益民,范长信,杨百勋,等.大型火电机组用新型耐热钢 M.北京：中国电力出版社,2013.3 周公文.1000 MW 超超临界锅炉屏式过热器爆管原因分析 J.化工装备技术,2022,43(5)：25-27.4 陈兴润,王建泽,王建新,等.309S 奥氏体耐热不锈钢金相组织和表面缺陷分析 J.钢铁钒钛,2013,34(2)：93-97.5 李国平.253MA(S30815)耐热不锈钢冶炼工艺研究J.钢铁,2008,(1)：33-36.6 杨照明,韩静涛,刘靖,等.奥氏体耐热不锈钢310S 的抗高温氧化性能研究 J.热加工工艺,2006,35(14)：33-35.7 唐庆新,刘靖,韩静涛.奥氏体耐热不锈钢 309S 高温抗氧化性能研究 J.钢铁研究学报,2009,21(10)：43-47.8 全国钢标准化技术委员会.高压锅炉用无缝钢管：GB/T 5310-2017S.北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2017.9 张君,赵红波,李中祥,等.SU304/Q235B 不锈钢复合管环焊及补焊工艺研究 J.焊管,2022,45(12)：20-27.10 刘正江,孟繁超.奥氏体不锈钢管道焊接工艺分析J.焊接技术,2022,51(11)：67-70.（责任编辑杨启岳）冯成凯等：某电厂屏式过热器频繁泄漏原因分析