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1、?SUS304HTB? 伍明生1,许春义1,鞠振福2 (1. 广东省湛江发电厂,湛江市,524099;2.国家电力公司电力建设研究所,北京市,102401) ?通过对湛江发电厂1号锅炉全大屏过热器爆管进行宏观及显微组织分析发现,SUS304HTB夹持管爆管 是由于在弯制过程中存在严重质量问题,运行中蒸汽被海水污染而导致了奥氏体不锈钢敏化态晶间应力腐蚀开裂。 ?全大屏过热器 爆管 敏化 应力腐蚀 ?:TM621.2 文献标识码:B 文章编号:1000 - 7229(2001)04 - 0026 - 03 Analysis on Causes of SUS304HTB Boiler Tubes E
2、xplosion in Zhanjang Power Plant Wu Mingsheng1,Xu Chunyi1,Ju Zhengfu2 (1. Guangdong Ganjiang Power Plant ,Ganjiang ,524099;2. Electric Power Consturction Research Institute ,State Power Corporation ,Beijing ,102401) Abstract Through macro and microstructure analysis for whole-wall superheater explos
3、ion tubes of No.1boiler in Zhan2 jiang Power Plant it is discovered that SUS304HTB clamping tubes explosion is due to serious quality problem in the course of tubes bending fabrication ,steam polluted by the sea water during operation ,which caused the austenic stainless steel to the sensi2 tized st
4、ate intergranular stress corrosive crack. Key words whole-wall superheater;tubes explosion;sensitized state;stress corrosion 湛江发电厂1号300 MW机组投入商业运行3 351 h时,锅炉全大屏过热器发生了大面积爆管。1 号锅炉由东方锅炉厂制造,型号为DG1025/ 18. 2 - II (3)亚临界压力、 中间再热、 自然循环单汽包炉。 1? 1号锅炉整体结构为形布置。全大屏过热器 为半辐射式过热器,其4片大屏管排悬吊在锅炉顶 棚过热器的下方,处于炉膛的燃烧中心的上方
5、(见图 1) ,并垂直于前后护墙。1片大屏又含8小屏分前后 2组,每个小屏由6根管子并弯成U形(见图 2) 。 管 子为 51 mm6 mm ,外圈第1、2根下端的设计材质 为:SA - 213T9l和12GrZMoWVTiB ,最内圈管作夹持 管的外套部分的设计材质为:SUS304HTB。全大屏 过热器主要技术参数见表1。 ?l?( MCR) 介质温度/ 进口出口 烟气温度/ 进口出口 受热面积/ m2吸热量/ (kJkg- 1) 4064621 1031 103695.61 904.9 注:本表数据来自东方锅炉厂锅炉电算热力计算汇总表。 ?1? 初步检查全大屏过热器共爆了6根夹持管,经 射
6、线探伤又发现2根夹持管有内壁裂纹。爆管均集 中在全大屏过热器前部的l3分屏夹持管,即燃烧 中心温度较高的区域,且发生爆管及探伤有裂纹的 管子的材质均为SUBS304HTB ,部分非设计所用管材 (SA213T91)夹持管未见损伤或爆管。6根夹持管爆 ?:2000 - 10 - 08 62 第22卷 第4期 2001年4月 电 力 建 设 Electric Power Construction Vol.22 No.4 Apr 2001 管的表面完好,未见吹损痕迹,又因管屏在炉内的间 距为3 m多,不存在相互对吹的情况,故可以断定夹 持管几乎是同时爆裂的。 ?2? 2? 为了分析全大屏过热器的爆管
7、原因,分别割取 26、35夹持管的爆管部位弯头,同时割取1个没 有发生爆管的36(SA213T91)夹持管弯头,进行金 属试验。 2.1? 夹持管爆口均在小角度 (17 30)弯头附近,多数 的裂口在弯头内侧,极少量的在弯头外侧。裂口以 横向为主且呈缝隙状,管径未涨粗(见图 3) 。开裂 自内壁向外壁扩展,部分裂口边缘有少量剪切唇,断 面较平整且呈颗粒状,其表面有氧化铯。裂口内壁 附近存在平行的未穿透的横向裂纹。外壁局部区域 有弯管加工时留下的压痕和皱褶,在这些区域内部 有密集平行的裂纹萌生,但深度很钱。外壁附着黑 色的氧化层,内壁的氧化层呈暗红色。将直管段和 弯管段内壁的氧化层用弱酸清洗后,
8、清晰可见内壁 均布着针尖大小的点蚀,以弯管段为严重。 2. 2? 元 素 分 析: SUS304HTB管 材 符 合 我 国 的 G B531085标准和日本JIS的SUS304HTB技术要 求;SA213T9l管材符合美国的ASTM A21385技术 要求。 机械性能试验:2种材质的夹持管符合我国的 G B531085标准,及相应的日本JIS的SUS304HTB 技术要求和美国的ASTM A21385技术要求。 2.3? 钢管的金相组织为奥氏体,晶粒度36级,晶 界未析出碳化物。 显微镜下观察26、35夹持管裂纹部位的纵 向制取试样,其裂纹自内壁向外壁萌生、 扩展,扩展 过程中分叉,并与相邻
9、裂纹连接,且可见裂纹区域有 些晶粒在制样过程中脱落,呈黑块状(见图 4) 。综 上述裂纹均发源内壁,以沿晶方式扩展,部分裂纹扩 展中有分叉,且分叉较短,裂纹具有敏化态奥氏体钢 晶界应力腐蚀破裂的特征。管外壁分布着几个晶粒 深度的沿晶裂纹,其可见裂纹区域也有晶粒脱落而 呈现的黑块状(见图 5) 。在T91夹持管取样检查,其 组织正常,内外壁均未发现裂纹。 ?3? ?4? 2. 4? 电镜分析:用扫描电镜对开裂的14、26? 35试样管进行观察,断口均为冰糖块花样状 沿 晶脆性断裂(见图 6) 。 72第4期 湛江发电厂SUS304HTB炉管爆管原因分析 ?5? ?6? 微区成分分析:电子探针分析
10、和X射线能谱分 析结果证实,在断回上无明显的Cl、S元素存在,在 爆口的裂缝处Cl、S元素存在;管内壁的点蚀坑处能 谱分析有Cl、S元素存在,管外壁能谱分析有S、P元 素存在。 金属结构相分析:该分析显示SUS304HTB不锈 钢存在固有的- Fe ,并有少量的M23C6碳化物相。 3? 3.1爆管试样的宏观微观试验结果都表明,开裂是 沿晶的、 脆性的、 具有典型的奥氏体不锈钢的敏化态 晶间应力腐蚀开裂的特征。 3. 2应力腐蚀裂纹的3个基本条件: 环境条件:湛江发电厂地处南海之滨,冷凝器是 采用海水作为冷却水。无论是从金属试验的结果 看,即爆管试样微区成分所显示点蚀坑有Cl存在的 分析结果,
11、还是从1号机组冷凝器运行的实际情况 分析,已有1000多根钛管因泄漏而被堵死,都表明 炉内的汽水曾被海水污染过。因此就有蒸汽和减温 水携带Cl离子进入,构成了奥氏体不锈钢应力腐蚀 的特定腐蚀环境。有资料证实,在锅炉启停过程中, 含氯和氧的汽水进入管子,在高温和高应力条件下, 百万分之几的氯化物就可以诱发应力腐蚀裂纹。 温度条件:有资料介绍,铬镍奥氏体不锈钢在 450850温度下,会使碳化铬的析出加重使之敏 化,在500800下尤其容易使奥氏体钢敏化。1 号锅炉的材质证明书显示,全大屏过热器管排是经 过710750/ 50 min的最终热处理,因此出厂前的 奥氏体不锈钢已处于敏化态。1号锅炉电算
12、热力计 算汇总表中全大屏过热器的设计参数表明,锅炉安 装投产后,受高温烟气的加热,全大屏过热器的金属 温度正处于上述的敏化温度。 应力条件:爆管裂口的颈缩现象表明夹持管整 体应力水平较高。应力的主要来源有3个方面:一 是夹持管在弯制过程中形成的热处理未能完全消除 的残余应力;二是过热器管排在组装中形成的附加 应力,即夹持管的弯管张角变小,会在弯头的内侧内 壁形成拉应力;三是夹持管在运行中承受较大的热 蒸汽压力、 热应力所形成的轴向拉应力。 3.3由于弯管及管排组装使弯曲部位应力增大,形 成局部高应力,在夹持管的弯管工艺中所形成的压 痕、 皱褶等应力集中部位,产生微裂纹。另一方面由 于弯管的塑性
13、变形,使其表面的位错密度增大,加之 奥氏体钢管始终处于敏化状态,锅炉投用后使得该 部位产生点蚀。弯管存在的点蚀坑、 微裂纹所具有 裂缝微区环境效应,使腐蚀介质进入裂缝后很难被 汽水带走,这样在应力的作用下使遭到腐蚀破坏的 晶界分开,应力腐蚀裂纹由此表层缺陷萌生。 3.4根据金属试验所获得信息和上述分析,借鉴国 内使用304系列不锈钢的技术资料,笔者认为: 3.4. 1SUS304HTB夹持管在残余应力、 附加应力、 蒸汽压力、 热应力所形成的轴向拉应力作用下,高温 运行时奥氏体钢多次接触含Cl离子的特定腐蚀介 质,局部失效部位萌生应力腐蚀裂纹,并沿晶向外扩 展,当应力超过剩余壁厚所承受的应力时
14、,发生爆 管。 3.4.2由于热加工工艺不当,弯管部位出现的局部 失效及应力集中现象,造成应力腐蚀裂纹在弯管部 位首先开裂。 3.4.3夹持管未经重新固溶处理和受烟气加热的 金属壁温,使奥氏体钢处于敏化状态,加速了夹持管 的失效。 3.4.4SUS304HTB夹持管外壁的沿晶裂纹是烟气 中腐蚀介质所致。 (下转第32页) 82 电 力 建 设 第22卷 ?3? ?6? 序号M 孔数 a / m b / m Um/ V RESIS(5)式Thapar / % (5)式Thapar 1204020534502517- 6.0- 2.2 24080202913142997.72.8 36390302
15、59236226- 8.9- 10.7 430310050248226228- 8.9- 8.1 54016040200193186- 3.5- 7.0 64515050190174176- 8.4- 7.4 76020050155146140- 5.8- 9.1 86010010014216214514.12.1 91102001001099498- 13.8- 10.1 1072160801431441230.8- 13.9 1114432080918177- 11.0- 15.4 3 疑原文排印有误,M应为28。 5? 5.1从正方形和矩形接地网的最大接触电位差 的验证计算结果表明,本文
16、拓展的(5)式,相对于 RESIS程序算法,其计算误差范围为- 8. 0 % 5.3 % ,而Thapae公式的计算误差范围为- 2. 3 % 13.1 %。前者稍优于后者。 5.2从L形、T形和锯齿三角形接地网的最大接触 电位差的验证计算结果表明,本文拓展的(5)式,相 对于RESIS程序算法,其计算误差范围为- 13. 8 % 14. 1 % ,而Thapae公 式 的 计 算 误 差 范 围 为 - 15.4 %15.1 %。前者稍优于后者。 5.3本文拓展的(5)式,优点是通用性强;而Thapar 公式只能计算几种给定条件下的接地网的最大接触 电位差,不具备通用的条件,故其使用范围比(
17、5)式 小。 6? 1 王洪泽.几种接地网最大接触电位差的计算.高电压技术,2000 (4) 2 鲁志伟,陈慈萱.矩形接地网接触电势的计算.高电压技术,1997 (7) 3 B. Thapar ,et al. Simplid equationsfor mesh and step voltage in AC substa2 tion. IEEE Transactions on power Dilivery ,1991 ,6(2) :601 (责任编辑:李连成) (上接第28页) 4? 4.1? 4.1.1将管排中24根SUS304HTB夹持管管材全部 更换为SA - 213T91管材。 4.1.
18、2对后屏过热器的TP347H夹持管全部进行光 谱检查核实,并对夹持管的立体弯头进行X射线探 伤,未发现异常情况。 4.2? 4.2.1利用机组的停炉检修,对l、2号锅炉受热面 管排的奥氏体钢管材进行光谱复查,有计划地用SA - 213T91管材替代管屏中现存的SUS304HTB管材。 鉴于Gr18Ni8奥氏体钢敏化倾向大,高温高压下接 触Cl离子易产生应力腐蚀裂纹,在湛江电厂二期工 程中,建议锅炉受热面管子避免使用该种材质的钢 管,并推荐使用SA - 213T91管材。 4.2.2严格监督汽水品质,增设在线Cl离子监测 的氯钠表装置,控制汽水中的氯离子和氧的含量。 以便钛管发生海水泄漏时,能及时采取有效的防蒸 汽污染措施。机组停运检修期间,应加强对冷凝器 钛管泄漏检查,堵住可能产生海水污染蒸汽的源头。 4.2.3鉴于湛江发电厂所处的海洋性气候的腐蚀 环境,安装单位应加强库存和安装期间的保护,奥氏 体不锈钢管排表面涂刷防腐漆和管口加盖。严格执 行锅炉本体水压试验必须使用合格除盐水的规定, 确保锅炉受热面中的奥氏体钢管的正常投用。 4.2.4锅炉制造厂应加强产品的质量控制,并根据 用户反馈的质量信息,及时改进夹持管的加工工艺 过程,提高产品的制造质量。 (责任编辑:李汉才) 23 电 力 建 设 第22卷