燃油电站锅炉高温再热器管泄露原因分析

陈麦存  ,魏盈

关键词：应力腐蚀锅炉泄露

一、背景

该电厂#2炉为660MW超临界燃油锅炉，锅炉满负荷额定压力25.4MPa，锅炉出口额定温度542℃。#2炉于2018年7月12日进行水压试验时发现高温再热器发生泄漏，再热器水压试验压力9.82MPa。此次我们从现场泄露部位进行取样，对该电厂#2炉高温再热器管进行裂纹原因分析工作。

二、#2炉高温再热器管试验结果及分析

取样的#2炉高温再热器管共2根，编号为S201846-5~ S201846-6，为描述方便，本次试验中样品编号简写为5号、6号。高温再热器管规格为Φ63.5×4.57 mm，材质为SA-13 TP347H，与不锈钢防磨瓦焊接采用ER347焊丝。

2.1  宏观观察

2根高再管样宏观形貌见图3-1所示。管样外壁由于定位环及油漆遮挡，泄漏处无法分辨，内壁可见明显裂纹，长约12mm，裂纹位于高再管与防磨瓦定位环焊接处。

 

1）高再管样宏观               2）高再管样外壁PT后形貌      3）高再管样内壁PT

图1-1  高再管样形貌

2.2几何尺寸测量

对2根管样进行几何尺寸测量，测量结果见表3-1。由测量结果可知：2根管样实测外径、壁厚与公称尺寸基本相符。

表3-1管样几何尺寸测量结果

管样 编号	规格（mm）	实测外径（mm）		实测壁厚（mm）
		左右	上下	1	2	3	4
5	Φ63.5×4.57	63.56	63.60	4.95	4.94	4.96	4.91
		63.88	63.78	5.01	4.96	4.99	5.00
6	Φ63.5×4.57	63.42	63.56	4.97	4.91	4.96	4.91
		63.84	63.74	4.94	4.90	4.95	4.97

2.3金相分析

对5、6号管内壁裂纹端部处分别取垂直于裂纹的金相试样，试样经砂纸粗磨、细磨和抛光、浸蚀后在OLYMPUS GX71型光学显微镜下进行金相观察分析，如图3-2、图3-3所示。由分析可知：

1）5号管裂纹端部距管子与定位环的焊接根部约0.5mm，裂纹由外壁向内壁扩展，发生泄漏的主裂纹两侧存在多条细裂纹，裂纹有较多分支，呈网状扩展。

2）6号管裂纹端部位于管子与定位环的焊接根部，裂纹由外壁向内壁扩展，裂纹有较多分支，呈网状扩展。

3）5、6号管母材为奥氏体+碳化物+孪晶，晶粒度6级，组织正常；定位环焊缝组织正常。

 

1）裂纹低倍形貌                  2）裂纹外壁形貌            3）焊缝及母材组织

图1-2  5号管样金相组织

 

1）裂纹低倍形貌              2）裂纹外壁                   3）裂纹中部

图1-3  6号管样金相组织

2.4硬度试验

对金相试样进行载荷10Kg、加载时间15s的维氏硬度试验，试验结果见表3-2。结果表明：

1）2根管样的母材、焊缝硬度正常。

2）2根管样裂纹附近母材外壁硬度高于壁厚中部及内壁母材的硬度。

表3-2  维氏硬度试验结果(HV10)

管样编号	焊缝	母材（裂纹附近）
5号	203、208、206	外壁：188、187、193;中部：153、148、152 内壁：162、159、156
6号	203、208、206	外壁：200、199、201;中部：176、168、170 内壁：172、178、167
ASME SA213:TP347H 的硬度要求≤200HV

2.5能谱分析

用Fei Quanta 400HV型扫描电子显微镜和EDAX能谱仪对6号管样母材、焊缝的基体及裂纹内的介质进行X射线能谱分析，分析位置如图3-4和图3-5，分析结果见表3-3和表3-4。由结果可知：

1）高再管母材及焊缝的主要合金成分与设计材质相符；

2）裂纹内介质成分主要是氧化物，含有少量Cl元素。

图1-4  基体能谱分析位置

表3-3  基体分析结果（wt%）

谱图	Si	Cr	Mn	Cu	Nb	Mo
图1	0.88	21.29	2.04	0.39	0.15	0.36
图2	0.53	18.20	1.60	/	0.76	/
ASME SA213TP347H	≤1.00	17.00~19.00	≤2.00	/	8C%～1.10	/
ENISO14343 347	0.65~1.2	19.0~21.0	1.0~2.5	≤0.5	10C%～1.0	≤0. 5

图1-5  介质能谱分析位置

表3-4  介质分析结果（wt%）

谱图	O	Mg	Si	S	Cl	Ca	Ti	Cr	Mn	Fe	Ni
谱图1	62.84	1.10	/	/	/	34.05	0.20	0.65	/	1.16	/
谱图2	70.90	0.99	/	0.34	2.18	0.91	0.75	5.40	/	16.77	1.76
谱图3	44.69	1.14	0.46	0.30	0.67	0.26	/	13.16	0.61	33.11	5.59
谱图4	51.51	1.26	0.61	/	0.22	0.67	/	29.94	/	14.19	1.60

2.6晶间腐蚀试验

5号管根据GB/T 4334-2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》标准加工4个试样进行晶间腐蚀试验。将试样先进行敏化处理（敏化处理制度为650℃保温2h后空冷），再放入标准规定的硫酸-硫酸铜溶液中，加热试验溶液，使之保持微沸状态，连续16h。试验后取出试样，洗净、干燥、弯曲，试验参数见表3-5。弯曲后的试样在10倍放大镜下观察弯曲试样外表面，未发现因晶间腐蚀而产生的裂纹，见图3-6。

表3-5  晶间腐蚀试验参数

试样编号	项目item
	敏化处理	腐蚀溶液	腐蚀时间（h）	弯曲方向	弯心直径（mm）
5-1	650℃保温2h后空冷	硫酸-硫酸铜	16	面弯	5
5-2	650℃保温2h后空冷	硫酸-硫酸铜	16	面弯	5
5-3	650℃保温2h后空冷	硫酸-硫酸铜	16	背弯	5
5-4	650℃保温2h后空冷	硫酸-硫酸铜	16	背弯	5

图3-6  晶间腐蚀试样弯曲后形貌

2.7综合分析

2.7.1高温再热器管样几何尺寸、金相组织、硬度正常、晶间腐蚀试验结果正常，即管样材质状态正常，但管样外壁硬度值高于壁厚中部及内壁母材的硬度值；焊缝的化学成分、硬度、组织正常。

2.7.2根据高温再热器两管样泄漏处没有明显的塑性变形、裂纹源于外表面（由外壁向内壁扩展）、裂纹内有介质以及裂纹分支多、网状形貌等典型特征，可以判断高再管开裂泄漏的原因是应力腐蚀开裂。

2.7.3应力腐蚀是指材料在应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性开裂现象，奥氏体不锈钢是一种应力腐蚀敏感材料，容易发生此类腐蚀失效。裂纹附近母材外壁硬度值明显高于壁厚中部及内壁，说明此处本身脆性较大；受焊接残余应力、结构应力的共同作用，容易在应力集中区域形成裂纹并向内壁扩展，这是开裂的应力因素；在裂纹中发现大量氧化物及少量cl元素，这是开裂的腐蚀因素，当二者共同作用时，管子在焊接处附近很快发生应力腐蚀开裂。

三结论与建议

该电厂#2炉高温再热器管泄漏的原因是应力腐蚀开裂。由于高温再热器管与防磨瓦定位环焊接部位的应力腐蚀开裂具有一定的普遍性，因此建议优化管子的定位环结构设计和优化焊接工艺以降低管子的结构应力和焊接残余应力，并考虑环境中的介质因素，也可考虑更换更耐应力腐蚀的管材。

参考文献

[1]DL/T 752-2010《火力发电厂异种钢焊接技术规程》

[2]ASMEBoiler and Pressure Vessel Code Section II material -2017

[3]GB/T 4334-2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》