摘 要:某余熱發電鍋爐低溫過熱器連接彎頭在運行三個月后發生開裂。采用宏觀觀察、化學 成分分析、硬度測試、金相檢驗和能譜分析等方法,分析了連接彎頭開裂的原因。結果表明:該連接 彎頭開裂的原因是在鍋爐安裝后的煮爐過程中,堿液進入過熱器,并在連接彎頭內表面焊縫處聚 集、濃縮,在較高的溫度及管道自重、汽水振動、熱應力和結構應力的共同等多種應力作用下,連接 彎頭焊縫處發生堿脆開裂。

關鍵詞:余熱發電鍋爐;過熱器;堿液;堿脆開裂

中圖分類號:TG111.91                                    文獻標志碼:B                                      文章編號:1001-4012(2022)03-0041-04

近年來,隨著中國經濟的快速發展,國內能源消 耗逐步上升,在化工、建材等諸多領域產生了大量的 廢熱資源,造成了嚴重的資源浪費。余熱發電技術 是一種將生產過程中產生的余熱回收利用,并轉化 為電能的技術。余熱發電不僅能節約能源,還有利 于環境保 護,是 國 家 實 行 節 能 減 排 的 重 要 技 術 措 施[1-2]。余熱發電鍋爐是余熱發電系統中重要的組 成部分,余熱發電鍋爐及其附屬設備的正常運行對 整個余 熱 發 電 系 統 的 循 環 工 作 起 到 至 關 重 要 的 作用。 

某建材公司水泥窯生產線余熱發電鍋爐配套了 一臺9MW 的低參數混壓純凝氣式汽輪發電機組, 鍋爐安裝并煮爐完成后投入試運行,僅運行三個月 后,發現余熱發電鍋爐低溫過熱器出口集箱連接彎 頭及附近多個部件出現開裂。依據 GB/T3087- 2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》標準,集箱及周邊管 件采用的材料均為20號鋼。為查找連接彎頭及附 近部件的開裂原因,避免該類問題的再次發生,筆者 對一處裂紋較多的連接彎頭進行了一系列檢驗和 分析。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

如圖1所示:連接彎頭母材外表面和內表面均有多條較長的裂紋,裂紋主要位于焊縫附近及彎頭 母材處分布較為曲折,但大致平行于焊縫且呈環狀 分布;彎頭外表面焊縫處有大塊補焊痕跡,補焊處也 有較長的裂紋;可見裂紋萌生于彎頭側母材內表面, 并由彎頭內表面向外表面擴展。

1.2 化學成分分析

在開裂連接彎頭裂紋附近彎頭側母材處截取試 樣,對其進行化學成分分析。如表1所示,彎頭母材 的化學成分均符合標準 GB/T3087-2008對20號 鋼的技術要求。 

1.3 硬度測試

GB/T3087-2008標準僅對20號鋼的拉伸性 能做出規定,但開裂連接彎頭壁厚較薄,不易截取拉 伸試樣。因此,對開裂連接彎頭的焊縫、彎頭側母材 和集 箱 側 母 材 進 行 硬 度 測 試,依 據 GB/T1172- 1999《黑色金屬硬度及強度換算值》,將硬度換算成 抗拉強度。如表2所示,連接彎頭的焊縫、彎頭側母 材、集箱側母材的硬度相差較小,換算成的焊縫和彎 頭側母材的抗拉強度分別為520 MPa和491 MPa, 該結果符合 GB/T3087-2008標準對20號鋼抗拉 強度的技術要求(410~550MPa)。

1.4 金相檢驗 

在開裂連接彎頭的焊接接頭處截取試樣,對其內 表面進行顯微組織觀察。如圖2所示:開裂連接彎頭 焊縫兩側母材的組織均為鐵素體+珠光體,彎頭側母 材的珠光體組織較為細小,鐵素體發生了輕微的拉長 變形;集箱側母材的鐵素體呈等軸狀;彎頭側熔合區 及焊縫未見明顯氣孔、夾渣、熱裂紋等焊接缺陷;彎頭 側熱影響區晶粒較粗大,可見少量魏氏組織。

如圖3所示:焊接接頭母材內表面裂紋擴展路 徑較曲折,主裂紋邊緣有較多二次裂紋,裂紋均沿晶 界擴展;焊縫處裂紋呈曲折狀,主裂紋邊緣有較多沿 晶界擴展的二次裂紋。

1.5 能譜分析

將開裂連接彎頭沿裂紋斷開后,對其斷口進行 能譜分析。如圖4所示,斷口表面主要成分為鐵的 氧化物,且含一定量的鈉和磷元素。

2 分析與討論 

彎頭 側 母 材 的 化 學 成 分 符 合 GB/T 3087- 2008標準中對20號鋼的技術要求,焊縫與其兩側 母材的硬度都較為均勻,通過硬度換算成的抗拉強 度符合 GB/T3087-2008標準對20號鋼的技術要 求,開裂連接彎頭的顯微組織也未見明顯異常。綜 上所述,連接彎頭開裂與其材料無關,大部分裂紋均 位于補焊處彎頭側母材,無補焊處彎頭側母材也有 較長的裂紋,因此可排除彎頭開裂與其外表面補焊 有關。

通過金相檢驗結果可知,起裂位置在彎頭側母 材內表面,并向外表面擴展,焊縫內表面及彎頭側母 材區域的主裂紋邊緣均有較多的二次裂紋,裂紋均 沿晶界擴展,這與碳鋼和低合金鋼“堿脆”裂紋的典 型特征相一致[3-5]。通過能譜分析可知,將連接彎頭 沿裂紋斷開后,發現其斷口表面存在一定含量的鈉 和磷元素,在鍋爐試運行前,需使用氫氧化鈉和磷酸三鈉進行煮爐,由此得知,鈉和磷元素可能來源于煮 爐過程中加入的堿液。

常溫環境中,碳鋼與堿液(NaOH)反應生成的 腐蝕產物[Fe(OH)3]在堿液中的溶解度很低[6],能 牢固覆蓋在碳鋼表面,從而避免碳鋼被進一步腐蝕。 在較高溫度和一定應力的共同作用下,碳鋼或低合 金鋼在堿液中會發生應力腐蝕開裂,這種應力腐蝕 開裂稱為堿脆開裂,即苛性脆化。堿脆是一種特殊 的電化學腐蝕,其反應方程式如式(1)所示[7-8]。

該腐蝕過程一般發生在金屬表面應力集中處或 發生電化學腐蝕的溝槽處,溶液沿氧化膜裂縫處進 入內部與金屬基體發生反應,在氧化膜破損處重新 形成 Fe3O4 氧化膜,氧化膜在應力 作 用 下 發 生 破 損,如此往復,該過程使應力腐蝕裂紋不斷擴展。同 時,裂紋兩側金屬晶粒內部和晶界存在一定的電位 差,晶界電位比晶粒內部電位低得多,從而使晶界作 為陽極進一步被氧化,這也促進了裂紋的擴展。

碳鋼和低合金鋼發生堿脆開裂,必須滿足的3 個基本條件,即較高濃度的 NaOH 溶液、一定的拉 伸應力和較高的溫度[9-10]。一般認為,堿脆開裂在 溶液沸點附近時最容易發生,溫度低于46℃時一般 不發生[11-14]。溶液中的 NaOH 濃度很低時,在高溫 環境中,NaOH 可能會在縫隙或粗糙的金屬表面聚 集、濃縮,增大了材料的堿脆開裂敏感性。 

該連接彎頭發生應力堿脆開裂是在鍋爐煮爐過 程中堿液進入過熱器導致的。在煮爐過程中,堿液 進入過熱器,在較高煮爐溫度以及管道自重、汽水振 動、熱應力和結構應力等多種應力的共同作用下,連 接彎頭焊縫處發生堿脆開裂。

3 結論及建議

(1)余熱發電鍋爐低溫過熱器出口集箱連接彎頭的開裂原因是鍋爐安裝后的煮爐過程中,堿液進 入了過熱器內部,在連接彎頭內表面縫隙處聚集、濃 縮,在較高的溫度以及管道自重、汽水振動、熱應力 和結構應力等多種應力的共同作用下,連接彎頭焊 縫處發生堿脆開裂。 

(2)根據堿液進入過熱器后的流動方向,在該 開裂連接彎頭附近管段進行超聲波、射線檢測,檢查 存在裂紋的區域,并對存在裂紋的管段進行更換,避 免裂紋在后續鍋爐運行過程中發生擴展,引起管子 開裂。此外,根據裂紋存在區域的大小,對開裂連接 彎頭附近管段內壁進行沖洗,以降低管段內壁的堿 含量。 

參考文獻: 

[1] 王沖,吳窮,王軍.水泥窯余 熱 發 電 鍋 爐 技 術 的 發 展 [J].黑龍江科學,2019,10(2):70-71. 

[2] 谷樹超,趙明華,丘國平,等.9F級燃機余熱鍋爐給水 泵泵軸失效分析[J].工業爐,2020,42(6):5-9. 

[3] 胡國呈,董金善,丁毅.余熱回收器換熱管與管板連接 處泄漏失效分析[J].壓力容器,2019,36(9):53-62. 

[4] 殷先華,傅勁清,張希旺,等.鍋爐過熱器管大面積裂 紋事故分析[J].特種設備安全技術,2011(1):19-20. 

[5] 劉獻良,賴云亭,陳忠兵,等.余熱鍋爐過熱器管焊縫 開裂原因 分 析 [J].金 屬 熱 處 理,2019,44(S1):267- 270. 

[6] 李曉剛.材料腐 蝕 與 防 護[M].長 沙:中 南 大 學 出 版 社,2009. 

[7] 徐先財,杜濤,劉廣虎,等.堿液加熱器泄漏原因分析 及對策[J].石 油 化 工 腐 蝕 與 防 護,2016,33(4):37- 39. 

[8] 紀鑫.NaOH 管線堿脆失效分析及對策[J].石油化工 建設,2014,36(4):94-96. 

[9] 張國祥.蒸汽 管 道 斷 裂 的 案 例 分 析 [J].工 業 鍋 爐, 2015(2):50-51. 

[10] 呂連杰,王兆鳳.延遲焦化裝置堿液罐泄漏原因分析 及對策[J].煉油技術與工程,2018,48(3):51-53. 

[11] 劉文櫸,徐軼 倫.管 道 堿 脆 現 象 的 成 因 及 預 防 措 施 [J].電力科技與環保,2017,33(5):38-39. 

[12] 張遠聲.腐蝕破壞事故100例[M].北京:化學工業出 版社,2000. 

[13] 楊瑞成.機械工程材料[M].重慶:重慶大學出版社, 2000. 

[14] 劉亞麗,王守華,傅俊豐,等.堿液設備及管道的腐蝕 與防護[J].石油化工設備技術,2014,35(5):40-41.

<文章來源>材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 3期 (pp:41-44)>