锅炉水冷壁管泄漏失效分析
- 发布时间:2024-07-19
- 发布者: zonghai
- 来源: 本站 燃气蒸汽发生器/真空热水锅炉
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大西热能蒸汽发生器厂家2024年7月19日讯,下图 为停炉检查时水冷壁割管试样照片。可以发现36#管表面有一层灰黑色的烟垢,37#管存在一处穿透裂纹,裂纹附近一定范围内管壁外表面光滑无污垢,其余部分被灰黑色烟垢覆盖,与37#管开裂处相对应的38#管管壁金属存在不规则凹坑,存在金属缺损现象。图4 左为37#水冷壁管的穿透裂纹形貌,裂纹长约32 mm,张口尺寸约为4.2 mm。仔细观察37#水冷壁管裂纹特征发现,断口比较粗糙,断口边缘为不平整的钝边,开裂处管壁厚度减薄不明显,穿透裂纹附近的管外壁有多条与开裂方向一致的未穿透纵向裂纹。右图为37#水冷壁管开裂处的横截面形貌。水冷壁管向火侧出现了一定程度的鼓胀现象,从鳍片开始至破口处壁厚存在减薄现象,截面呈不规则的半椭圆形,而背火面管壁厚度及形状几乎未发生变化。从穿透裂纹的宏观形貌特征可以初步判断,37#水冷壁管裂纹是长期过热引起的蠕变开裂。
试验分析
3.1 化学成分分析
水冷壁管的材质为20G,对取样管段母材进行化学成分分析,结果见表1 所示。可见材质符合标准要求,除碳含量处在标准规定的低限值,其他成分均在标准要求的范围之内,材质成分合格。
表1 材料化学成分分析结果(质量分数)
Table 1 Analysis results of chemical composition of materials (mass fraction) %
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3.2 显微组织分析
对发生开裂的37#水冷壁管及未开裂的38#水冷壁管进行金相组织分析,且对两根水冷壁管试样向火侧和背火侧分别取样分析。20G 为珠光体型低碳钢,正常的金相组织应该为铁素体(F)+珠光体(P),在长期高温使用时,有珠光体球化和石墨化的倾向。
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图6 水冷壁管(37#)金相组织
Fig.6 Metallographic structure of water-cooled wall tube (37#)
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图7 水冷壁管(38#)金相组织
Fig.7 Metallographic structure of water-cooled wall tube (38#)
37#、38#水冷壁管的低倍组织(a)、(b)显示其基本组织仍为铁素体和珠光体,向火侧珠光体与铁素体边界模糊,珠光体的片层状结构不复存在,呈现分散特征;而背火侧珠光体形态已有发散倾向但形态相对完整,有轻微带状组织出现,可见经过二十多年的高温运行水冷壁管的金相组织,出现不同程度的老化。相比较而言,由于背火侧金属温度比向火侧温度低,故而二者的老化程度存在差别。
参照相关标准 [9],37#水冷壁管的高倍组织如图6 (c)、(d)所示,向火侧(c)珠光体形态消失,晶界及铁素体基体上的球状碳化物已逐渐长大,珠光体球化级别已经达到5 级,个别晶界处已经产生蠕变裂纹;背火侧(d) 珠光体区域中的碳化物已明显分散,并向晶界聚集,珠光体形态尚保留,珠光体球化级别已经达到4 级。38#水冷壁管的高倍组织如图7 (c)、(d)所示,向火侧(c)和背火侧(d) 金相组织差别不明显,珠光体区域中的碳化物已明显分散,并向晶界聚集,珠光体形态尚保留,珠光体球化级别已经达到4 级。
珠光体球化是指钢中片层状的珠光体组织在高温长期应力作用下,随时间的延长,其形状和尺寸发生变化的现象 [10]。珠光体的片层状渗碳体将逐渐变为球状,并随时间的延长而不断聚集长大。珠光体球化的结果会使钢材的室温强度、蠕变强度和持久强度下降,从而影响水冷壁管的安全运行,因此珠光体球化程度是高温下使用的金属材料金属监督的重要指标。
从以上对37#、38#水冷壁管的金相组织分析可知,经过长期高温运行,水冷壁管的金相组织中珠光体已发生严重的球化,晶界处产生了大量的碳化物及少数的蠕变裂纹,材料已经发生了较严重的老化问 题。
3.3 机械性能检测
对37#和38#水冷壁管的向火侧及背火侧在爆口附近位置分别取样进行机械性能拉伸试验,试验结果见表2 所示。同标准规定的指标相比,爆口附近无论向火侧还是背火侧的屈服强度和抗拉强度均符合要求。37#管两个试样的强度数据差别在5 ~ 15 MPa之间;而未爆的38#管两个试样的强度数据差别达15 ~ 75 MPa。延伸率方面,38#管背火侧略低于标准值,其他位置均符合要求。但是两水冷壁管的向火侧强度指标都低于背火侧,这主要是锅炉运行过程中,水冷壁向火侧金属温度高于背火侧的金属温度所致,从材料的微观组织中向火侧球化程度高也可以得到解释;对塑性指标延伸率,37#水冷壁管两侧差距不大,但38#水冷壁管差距则比较大,向火侧高于背火侧,而且38#管的强度数据也比较分散,主要原因可能与该批次钢管质量水平不高致使其机械性能不均匀有 关。
4 原因分析
从上述对水冷壁管开裂处的宏观形貌分析、化学成分分析、显微组织分析以及机械性能检测的结果来看,虽然水冷壁管的化学成分和机械拉伸性能总体上满足GB/T 5310 标准的规定要求,但由水冷壁管开裂处的宏观形貌和显微组织的分析结果,我们仍然可以得出本次37#水冷壁管属于长时过热爆管的结论,主要依据是爆口处有鼓胀现象且爆口粗糙,而且金相组织老化明显,珠光体球化级别已经达到四级,且存在明显的晶界蠕变裂纹。从该D 型锅炉布置结构来看,由于汽包位于锅炉西侧,而进、出汽包的水、汽管口均位于汽包的最南侧,从各联箱与汽包水汽行程分析,下联箱1、2、3 的水汽行程最长,即流动阻力最大,因而其水循环效果相对而言也是较差的;再者37#和38#水冷壁管正好位于下联箱2 的进水口两侧,从流场分布角度来看进水口两侧会形成一个回流区,客观上对其流量分布和水循环效果也会起到一定的不利作用。再加上本台锅炉在投用过程中曾经发生过超温爆管问题,尽管当时只是更换了发生爆管的下联箱1 及其水冷壁管,但其他水冷壁管也受到了一定的热损伤,而且自投用至今已20 多年的时间,基本上已达到了水冷壁管的设计寿命。
5 结论和建议
37#水冷壁管由于长期过热导致材料组织、性能老化,最终因蠕变引起了开裂泄漏失效。鉴于动力锅炉对于保证石化公司的平稳运行关系重大,在条件允许的情况下可对其他各联箱对应的水冷壁管的金相组织进行检查,如果其他水冷壁管也发生珠光体严重球化的现象,则说明整台锅炉的水冷壁管均已接近其设计寿命,需要在检修时对锅炉水冷壁进行整体更换。