PDF《热电厂锅炉屏式再热器管开裂原因分析》

热电厂锅炉屏式再热器管开裂原因分析 孙明成1 , 李宏强1 , 张艳红1 , 张国玲2 (

1 .

辽宁省电力有限公司 电力科学研究院, 沈阳1

1 0

0 0

6 ;

2 . 通辽盛发热电厂, 通辽0

2 8

0 0

1 ) 摘要: 通过宏观检验、 化学成分分析、 金相检验和扫描电镜分析, 结合现场实际情况, 对热电厂 锅炉屏式再热器管开裂原因和失效机理进行了分析.结果表明: 屏式再热器管出现的横向裂纹是 热疲劳和蠕变交互作用造成的沿晶开裂, 断面上有疲劳辉纹和蠕变孔洞.导致屏式再热器管热疲 劳和蠕变的原因是材料热膨胀系数大产生大的膨胀量、 膨胀受阻产生热应力和长期过热. 关键词: 屏式再热器;

管;

热疲劳;

蠕变 中图分类号: T K

2 2

5 ;

T G

1 1

5 文献标志码: B 文章编号:

1 0

0 1

4 0

1 2 (

2 0

1 4 )

0 3

0 2

1 9

0 4 磷镒 樽 镒 遄 樽 嶙衾哲 樽绐遄1, 镒绐嶙1, 淋嵌 嶙椽镒1, 淋 铼樽2(1.LiaoningE l e c t r i cP o w e rR e s e a r c h I n s t i t u t e , S h e n y a n g1

1 0

0 0

6 , C h i n a ;

2 . T o n g l i a oS h e n g f aT h e r m a l P o w e rP l a n t , T o n g l i a o0

2 8

0 0

1 , C h i n a ) :Thec r a c k i n gr e a s o na n df a i l u r em e c h a n i s mo ft h ep l a t e nr e h e a t e rt u b e si nt h e r m a lp o w e rp l a n t w e r e i n v e s t i g a t e db ym a c r o s c o p i c e x a m i n a t i o n , c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n a l y s i s , m e t a l l o g r a p h i c e x a m i n a t i o n , s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p ya n d f i e l d i n v e s t i g a t i o n . T h e r e s u l t ss h o w e dt h a t t h e t r a n s v e r s ec r a c k so np l a t e nr e h e a t e r t u b e s w e r e i n t e r g r a n u l a r c r a c k s c a u s e db yt h e r m a l f a t i g u ea n dc r e e p i n t e r a c t i o n . T h e r ew e r e f a t i g u es t r i a t i o n sa n dc r e e p c a v i t i e so nt h ef r a c t u r es u r f a c e .T h e r m a l f a t i g u ea n dc r e e pi np l a t e nr e h e a t e rt u b e sw e r ed u et ol a r g ee x p a n s i o n b e c a u s eo f m a t e r i a ll a r g et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ,t h e r m a ls t r e s sb y b l o c k e de x p a n s i o na n dl o n g t e r m o v e r h e a t i n g . :platenr e h e a t e r ;

t u b e ;

t h e r m a l f a t i g u e ;

c r e e p 某热电厂锅炉系哈尔滨锅炉厂制造的 HG

4 4

0 /

1 3 .

7 L. HM

2 8型循环流化床锅炉, 为高参数、 单锅筒、 一次中间再热自然循环蒸汽锅炉, 采用循环 流化床燃烧方式、 高温分离技术.锅炉燃烧室内布 置有双面水冷壁, 靠近前墙沿炉宽间隔布置有8片 屏式Ⅱ级过热器和6片屏式高温再热器.燃烧室和 尾部对流烟道之间布置有两个高温绝热分离器.按 烟气流动方向尾部对流烟道顺次布置有高温过热 器、 低温过热器、 低温再热器、 省煤器和空气预热器. 锅炉主要参数为: 额定蒸发量4

4 0t / h , 主蒸汽压力

1 3 . 7M P a , 主蒸汽温度5

4 0℃, 给水温度2

4 9℃, 再 热蒸汽温度5

4 0℃, 再热蒸汽压力3 .

6 3M P a .设计 收稿日期:

2 0

1 3

0 5

2 8 作者简介: 孙明成(

1 9

8 1 -) , 男, 工程师, 博士. 燃料为褐煤. 高温段再热器位于燃烧室中上部, 由6片屏式 再热器组成.与前墙水冷壁垂直布置, 下部穿前墙 处为屏的蒸汽入口端.有密封盒将管屏与水冷壁焊 在一起.在屏的上部穿墙密封盒处装有膨胀节以补 偿膨 胀差.管屏在炉内呈 L 型, 管子规格为57mm* 5mm, 位于炉内的材料为0 C r

1 8 N i 9不锈 钢. L 型管屏水平段敷有耐火防磨材料. 该锅炉于2

0 0 6年1月投产, 在2

0 1 2年8月的 水压试验中发现浇注料内 L 型管屏的东3屏中间 部位水平管子开裂渗漏, 见图1 .笔者对该再热器 管的开裂原因和失效机理进行了详细分析, 并给出 了解决措施.

9 1

2 孙明成等: 热电厂锅炉屏式再热器管开裂原因分析 前墙水冷壁出口集箱 入口集箱 屏式再热器炉顶 炉膛 裂纹区域 图1 屏式高温再热器结构布置及裂纹区域示意图 F i g .

1 A r r a n g e m e n t a n dc r a c kr e g i o ns c h e m a t i c d i a g r a mo f t h ep l a t e nr e h e a t e r

1 理化检验

1 .

1 宏观检验 出现裂纹的再热器管的宏观形貌如图2( a ) 所示, 可见裂纹位于再热器管的上部.使用 D P T 5清 洗剂、 渗透剂和显像剂进行渗透着色, 如图2( b ) 所示, 除焊缝处有一条横向裂纹外, 大量横向裂纹都出 现在母材上.横向裂纹宏观上垂直于再热器管的轴 线方向扩展.

1 c m 横向裂纹 ( a ) 肉眼可见的横向裂纹

1 c m ( b ) 渗透着色后的横向裂纹 图2 裂纹的宏观形貌 F i g .

2 M a c r om o r p h o l o g i e so f c r a c k s ( a ) V i s i b l e t r a n s v e r s e c r a c k s ( b ) T r a n s v e r s e c r a c k s a f t e r d y ep e n e t r a n t i n s p e c t i o n

1 .

2 化学成分分析 采用德国贝尔德直读光谱仪 D V 6分析高温再 热器管的化学成分, 结果见表

1 , 可见所用材料满足 表1 高温再热器管的化学成分( 质量分数) T a b .

1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n so f h i g h t e m p e r a t u r e r e h e a t e rp i p e ( m a s s ) 条件 C S i M n P S C r N i M o C u 实测值

0 .

0 6

0 0 .

3 3

0 .

7 2

0 .

0 3

0 0 .

0 0

1 1

8 .

0 9

8 .

9 4

0 .

1 5

0 .

2 6 标准值 ≤

0 .

0 8 ≤

1 .

0 0 ≤

2 .

0 0 ≤

0 .

0 4

5 ≤

0 .

0 3

0 1

8 .

0 ~

2 0 .

0 8 .

0 ~

1 1 .

0 - - 设计制造标准 G B / T1

2 2 0-2

0 0 7《 不锈钢棒》 关于

0 C r

1 8 N i 9不锈钢的成分要求.

1 .

3 力学性能测试 采用 C MT

5 2

0 5 拉伸试验机, 试验方法依据GB/T2

2 8 .

1 -

2 0

1 0 《 金属材料 拉伸试验 第1部分: 室温试验方法》 .在远离裂纹的同一根高温再热器 管上取两根管板试样进行室温拉伸试验, 两根试样 的平均拉伸性能见表2 , 可见其力学性能满足G B / T

1 2

2 0 -

2 0

0 7对0 C r

1 8 N i 9不锈钢力学性能的要求. 表2 高温再热器管的室温拉伸性能 T a b .

2 T e n s i l ep r o p e r t i e s a t r o o mt e m p e r a t u r eo f h i g h t e m p e r a t u r e r e h e a t e rp i p e 条件 m / M P a P0.2/MPa/%实测值

6 3

0 2

1 7

7 0 标准值 ≥

5 2

0 ≥

2 0

5 ≥

4 0

1 .

4 金相检验 在再热器管出现横向裂纹的外壁附近( 图2 ) 取 金相试样, 经预磨、 抛光、 稀王水侵蚀后, 在LECO300光学显微镜下观察.图3显示出再热器管 外壁形成沿晶网状裂纹, 裂纹尖端沿晶扩展.图4 显示出在网状裂纹的附近, 晶界上分布有碳化物颗 粒和链状孔洞, 有些晶界已经开裂成为微裂纹. 图3 沿晶网状裂纹 F i g .

3 I n t e r g r a n u l a rn e t c r a c k s

0 2

2 孙明成等: 热电厂锅炉屏式再热器管开裂原因分析 微裂纹 碳化物 ( a ) 碳化物和微裂纹 链状孔洞 ( b ) 链状孔洞 图4 晶界上的碳化物和链状孔洞 F i g .

4 C a r b i d e s a n dc h a i nh o l e s i ng r a i nb o u n d a r i e s ( a ) C a r b i d e s a n dm i c r o c r a c k s ( b ) C h a i nh o l e s

1 .

5 断口分析 采用岛津 S S X

5 5 0扫描电镜观察断口形貌. 图5显示出断口晶粒呈冰糖状, 这是典型的沿晶开 裂特征.从图6可见断口晶粒上有疲劳辉纹, 这是 典型的疲劳断裂微观特征;

另外在沿晶断开的晶粒 界面即晶界上分布有大量的蠕变孔洞.

2 分析与讨论 屏式再热器管材料为0 C r

1 8 N i 9不锈钢, 热膨 胀系数大, 管壁温度高, 膨胀量大;

水冷壁材料为

2 0 G钢, 热膨胀系数小, 管壁温度低, 膨胀量小[

1 -

2 ] . 再热器管屏向下自由膨胀位移量远大于水冷壁膨胀 量, 但再热器管屏的上下两端膨胀不好导致屏式再 热器实际膨胀位移不足, 造成 L 屏式再热器竖直 段产生 S 型弯曲变形.变形的 L 型管屏竖直段 管子对 L 型管屏水平段管子施加向下的弯曲应 力, 并使水平段管子的上部受到拉应力. 在锅炉内 L 型再热器管屏水平段管子表面采 取了耐火材料防磨.在耐磨耐火浇注料施工中包括 销钉焊接、 沥青涂刷、 配水搅拌、 制模固定、 振捣、 脱 模保护、 尺寸保证等几个关键环节.由于浇注料膨 胀系数小, ........