一台余热锅炉过热器管束断裂原因分析.docx

一台余热锅炉过热器管束断裂原因分析王守江阎家树李维根杨宏(哈尔滨七O三研究所)(黑龙江省劳动厅锅炉压力容器检验所)(哈尔滨焊接研究所)〔摘要〕本文分析一台余热锅炉煮炉过程中因碱液进入过热器,使过热器对接焊缝及弯头部位断裂原因,认定其原因为碱引起的应力腐蚀,即苛性脆化。关键词过热器断裂苛性脆化分类号TG172.63TK224.9锅炉概况1前言某电厂一台燃气轮机余热锅炉,安装后煮炉48小时,过热器翅片管弯头及直管与下集箱管接头焊缝发生断裂,本文对其断裂原因进行分析讨论。0该锅炉为卧式烟道双压水管自然循环锅炉,中压锅炉为3.82MPa、445±10℃设计产量为45.5t/h,给水温度为105℃,除氧汽源为0.2MPa低压锅炉。图1过热器结构示意图收稿日期1996212210定稿1997201206·128·热能动力工程1997年过热器采用翅片管结构,逆流布置,共分三级,见图1。翅片管的钢管材质为12Cr1MoV,规格为532×3。翅片由河南某厂钎焊,钎焊温度为1020℃。裂,多根管束存在穿透性裂纹。其中有30多根管在焊缝热影响区开裂、20多根管在弯头处横向开裂,泄漏处有白色碱结晶。翅片管断裂断口及裂纹形貌见图2。弯头处裂纹形貌见图3。光管部分冷弯-15°弯头,弯曲半径为R60。集箱由哈尔滨市某锅炉厂制造,焊有12Cr1MoV、532×3、70mm长的管接头,并经整体热处理。翅片管与管接头在安装现场采用氩弧焊焊接,焊丝为TiG2R31,未进行焊前预热及焊后热处理。该炉安装后采用NaOH和Na3PO4水溶液(1m3水各加4kg)煮炉48小时,有一段时间水位模糊不清。图3弯管处裂纹取样试验分析2为分析过热器管束断裂原因,取样进行了如下试验分析:2.1对翅片管的钢管进行化学分析、拉伸试验及硬度测试,化学成分、延伸率、抗拉强度、硬度均符合GB5310-85要求。2.2对4根经煮炉的翅片管及1根未经煮炉的翅片管的钢管进行了金相组织观察,其组织基本相同,均为铁素体+粒状贝氏体+珠光体,管内外表面脱炭层均小于0.2mm。2.3对两个管接头母材进行了金相组织观察,组织均为铁素体+珠光体。2.4对两根管的焊接接头金相组织进行了观察,焊缝金属为粒状贝氏体。图2焊缝处裂纹宏观形貌图4(a)1#管翅片管侧100×煮炉后发现,一、二级过热器下部6根管束断第2期(68)一台余热锅炉过热器管束断裂原因分析·129·2.5对弯头有裂纹的开裂处进行了金相观察,裂纹多分枝,内有浅灰色腐蚀产物,基本呈沿晶扩展,见图5。图5弯管处裂纹形貌400×2.6用显微硬度计测试了焊缝、过热区的显微硬度,结果见表1。表12.7用机械方法将焊缝及弯头裂纹打开,进行宏观及扫描电镜观察。宏观观察,断口平齐,无塑性变形痕迹,属脆性开裂,断口呈黑黄色。化学清洗后,原裂纹断口呈黑色,在扫描电镜下观察,黑色区域有一层腐蚀产物覆盖,大部分腐蚀产物呈多面体,棱角清晰,鳞片似的覆盖在金属表面,个别部位腐蚀产物与基体金属有一定取向关系,见图6。沿焊缝两侧过热区开裂的裂纹断口形貌相同,断口表面虽有产物覆盖,但断口形貌明显可见,均为沿晶开裂,且二次裂纹较多。特别是裂纹尖端由于腐蚀产物较少,沿晶特征更为明显,见图7。弯管处裂纹断口较细,且被腐蚀产物覆盖,形貌不太清晰,但个别部位仍可见沿晶特征,特别是裂纹尖端,沿晶特征明显,由于裂纹分枝较多,晶粒好似脱落一样,见图8。2.8用X射线衍射仪对断口上呈黑色的腐蚀产物进行了结构分析,腐蚀产物为单一物质Fe3O4。2.9对带有裂纹(即严重应力集中)的断口人为打开部分及拉伸试样断口进行扫描电镜观察,均为韧性开裂为主的穿晶断口。图4(d)2#管翅片管侧200×两根管焊缝两侧都有裂纹,裂纹起自管内焊缝根部,沿过热区向外表面扩展,裂纹形貌见图4。裂纹多分枝,且其中夹有灰色的腐蚀产物。从经浸蚀的图中可见,裂纹处于热影响区,呈沿晶扩展。管号焊缝翅片管侧过热区管头侧过热区1#262、289、271283、310、299310、354、3212#229、283、299321、358、321321、370、358·130·热能动力工程1997年(b)2#管(a)弯管裂纹1000×1000×图6断口表面腐蚀产物(a)2#管100×(b)2#管350×图7焊缝过热区断口形貌纹,呈要脱落状,是碱引起的应力腐蚀,即苛性脆化的典型特征。断裂原因分析及讨论3碱腐蚀过程为:3Fe+7NaOH→Na3FeO3·2Na2FeO2+7HNa3FeO3·2Na2FeO2+4H2O→Fe3O4+7NaOH+H3Fe+4H2O→Fe3O4+8H由于Fe3O4是在水中铁的表面形成,才可能具有多面体形状,并与基体金属有一定取向关系。在我们已有的概念中,苛性脆化只发生在铆、胀结构中,而焊缝和弯头不会发生苛性脆化。通过这起过