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水冷壁用的高压锅炉管失效开裂分析

作者:admin 来源: 日期:2021/1/1 20:59:42 人气:12

应用扫描电镜、光学显微镜及X射线能谱仪等实验分析方法,对高压锅炉用水冷壁管失效开裂原因进行分析研究,结果表明,高压锅炉用水冷壁管开裂为应力腐蚀开裂,同时还有氢脆的作用。

高压锅炉是发电厂的关键设备,高压锅炉管是高压锅炉的专用材,其使用条件恶劣,技术要求苛刻,为使高压锅炉长期持久的安全运行,要求高压锅炉管即要有良好的工艺性能,同时更要有耐高温、耐高压、耐腐蚀,抗热疲劳等性能[]。本钢发电厂高压锅炉用水冷壁管在未达到服役期限时发生漏水,将漏水部位水冷壁管剖开,现场检查发现其内壁有许多尺寸、深浅不等的近似圆形的锈斑坑,其中有的锈斑坑已贯穿管壁至水冷壁管外壁,从而导致水冷壁管在这些部位漏水。为了保证及延长水冷壁管的使用寿命,有必要查明水冷壁管内壁锈斑坑产生的原因。

1情况调查

本钢发电厂高压锅炉用水冷壁管用钢为20G,其化学成分和各项性能指标均符合GB531020G的要求,工作温度为1500℃,工作压力为12~13MPa,水冷壁管内为无氧状态,管内介质是去离子水汽的混合物,水汽混合物介质的温度在320~340之间。对管内介质进行成分分析,分析结果为,介质中含有PNaFeCuCaMgSi等杂质元素,用试纸实验,介质的pH值在10~12之间,呈碱性。

2取样检验及检验结果

2.1取样及检验

鉴于本钢发电厂高压锅炉用水冷壁管在运行过程中腐蚀较严重,漏水部位断口表面已被严重锈蚀,因此,选择在靠近漏水部位的位置截取试料进行检验分析。首先对截取的试料进行肉眼观察并照相,用直尺测量水冷壁管尺寸;然后在水冷壁管内壁锈斑坑处及远离锈斑坑的部位取样,制备成金相试样,应用JSM-5600LV扫描电镜、0X-1光学显微镜及NCAX-射线能谱仪,对试样进行观察检验。

2.2高压锅炉用水冷壁管宏观检验结果

对截取的高压锅炉用水冷壁管试料进行宏观检验,其宏观形貌见图1。由图1可见,高压锅炉用水冷壁管的内壁较粗糙,内壁上的锈斑坑深度均未达到水冷壁管外壁,锈斑坑内布满了腐蚀产物,锈斑坑以外的其他部位也均有不同程度的腐蚀。

用直尺对高压锅炉用水冷壁管的尺寸进行测量,水冷壁管外径为60mm,壁厚为5mm

2.3高压锅炉用水冷壁管微观检验结果

JSM-5600LV扫描电镜下对锈斑坑处试样进行观察,观察面为与锈斑坑表面垂直的平面,观察可见,锈斑坑处及其周围分布着细密的沿晶裂缝,这些沿晶裂缝分枝较多,呈树根状,其内布满了腐蚀产物,锈斑坑是这些沿晶裂缝的裂源区,裂缝由水冷壁管内壁向外壁不连续的扩展,并且较粗大的显微裂缝和细小的显微裂缝是相互交替着由水冷壁管内壁向外壁扩展的,直至扩展到外壁,引起高压锅炉用水冷壁管失效开裂,见图2

对锈斑坑处及远离锈斑坑部位的试样进行金相检验,由金相检验结果可知,钢中的非金属夹杂物符合GB5310要求。用3%硝酸酒精溶液浸蚀试样,进行显微组织观察,钢的显微组织为铁素体和珠光体,锈斑坑处及远离锈斑坑部位钢的铁素体晶粒度分别为9.0级和10.0级,见图3和图4。为保证高压锅炉用水冷壁管应具有的高温性能,成品水冷壁管采取正火处理,正火处理温度为900~930℃,正火处理后水冷壁管的显微组织为铁素体和珠光体,成品管的实际晶粒度应不小于4级,可见,水冷壁管用钢锈斑坑处及其它部位的显微组织属于正常组织,铁素体晶粒度符合GB5310要求。另外,由图3可看到,裂缝沿铁素体和珠光体晶界或铁素体和铁素体晶界扩展,因此,由显微组织检验结果进一步证实了高压锅炉用水冷壁管开裂为沿晶型开裂。

2.4X-射线能谱分析结果

对高压锅炉用水冷壁管内壁锈斑坑表面的腐蚀产物及显微裂缝内的腐蚀产物进行X-射线能谱分析,分析结果表明,锈斑坑表面的腐蚀产物及显微裂缝内腐蚀产物的主要组分均为FeO,此外还有微量的AlSiPCaMgCu元素。

本钢发电厂高压锅炉用水冷壁管内为无氧状态,则根据锈斑坑表面腐蚀产物和显微裂缝内腐蚀产物的X-射线能谱分析结果,水冷壁管在使用过程中产生的化学反应是:

3Fe+4H20Fe3O4+4H2

3分析

水冷壁管钢质水平的高低是保证高压锅炉用水冷壁管在高温、高压下正常工作的关键。由对漏水部位水冷壁管的金相检验可知,钢中的非金属夹杂物,钢的显微组织,铁素体晶粒度均符合GB5310的要求。

高压锅炉用水冷壁管在正常工作状态下,始终处于高温、高压状态,温度可以提高所有的化学反应速度,电化学腐蚀速度也随着温度的升高而加快。在高压条件下,水冷壁管内的高温水汽混合物介质会对水冷壁管产生局部腐蚀,但是在管内介质呈弱碱性的情形下,则有利于水冷壁管管壁钝化膜的形成,而对水冷壁管管壁起到钝化保护作用,降低水冷壁管的腐蚀速度。本钢发电厂高压锅炉用水冷壁管管内介质的pH值一般控制在8~9之间,然而试纸分析结果表明,管内介质的pH值在10~12之间,较控制值偏高,但不会产生过钝化溶解,破坏钝化性质。

众所周知,水冷壁管管壁上所有可能的缺陷或钝化膜上的显微裂缝均可能是腐蚀坑孔(即显微裂缝)生核的地方,它们显著地提高水冷壁管在工作压力作用下的腐蚀倾向。由对水冷壁管管内介质的成分分析结果表明,管内介质中含有PNaFeCuCaMgSi等杂质元素,在水冷壁管工作过程中,这些杂质元素极易吸附在水冷壁管内壁上,成为锈斑坑孔生核的地方,从而加速水冷壁管产生局部腐蚀的速度。锈斑坑孔生核后,便在锈斑坑孔内部形成膜孔电池,引起电化学腐蚀的过程,使显微裂缝继续向纵深扩展,直至贯穿水冷壁管管壁,导致水冷壁管开裂漏水。由扫描电镜观察结果可知,显微裂缝是沿着铁素体与铁素体晶界或铁素体与珠光体晶界扩展的,因此,可以确定高压锅炉用水冷壁管开裂是沿晶型的应力腐蚀开裂。

高压锅炉用水冷壁管在正常工作状态下,管内为无氧状态,在电化学腐蚀作用后,会产生新生态[H],这些新生态[H]被吸附并扩散到钢中,在晶界或晶界缺陷处聚集,当B压力达到一定时,会使水冷壁管产生脆性开裂,沿晶型开裂也是氢脆引起的开裂方式。

4结论

综合上述分析,可以得出本钢发电厂高压锅炉用水冷壁管失效开裂是其在工作过程中,在工作压力与管内高温水汽混合物介质的联合作用下而引起的应力腐蚀开裂,同时还有氢脆的作用。水冷壁管内介质中的杂质元素吸附于管壁上成为锈斑坑孔生核的地方,在工作压力作用下,加速水冷壁管产生局部腐蚀的速度。