过热器连通管裂纹的成因分析与建议

摘 要：笔者结合理论与实践，就针对过热器连通管裂纹的概况与成因进行了详细分析，并提出了合理化建议。

关键词：过热器 连通管 裂纹成因 弯头损伤 内部检验

近两年来，在对电站锅炉进行内部检验的过程中，陆续发现部分锅炉的高温过热器出口集箱至集汽集箱连通管背弧面上出现裂纹现象。并且，经打磨消除裂纹以后，管子的剩余壁厚已无法满足强度计算所要求的最小壁厚，只能进行更换。分析这些裂纹的产生原因和特性，并根据它们的特点制定可行的监督、检验措施，对防止锅炉因过热器连通管发生早期裂纹而导致锅炉非计划停运、保障电厂的设备安全和运行人员的生命安全具有重要的理论指导意义

1、锅炉及相关部件概况

发现裂纹的锅炉，其结构型式基本类似。设计参数为：过热器出口蒸汽温度485℃、蒸汽压力5.3MPa。锅炉高温过热器出口集箱与集汽集箱之间由六根连通管相连接，连通管的材质为低合金钢（12Cr1MoVG或12Cr1MoV），规格为Ф133×10mm或Ф108×10mm。制造时采用热弯工艺，由整根钢管弯制而成。过热器连通管管线简图如下：

2、连通管弯头损伤特点

2.1 裂纹特征：

上述连通管的裂纹均发生在90?弯头的背弧面，裂纹在炉前弯头和炉后弯头上随机分布，裂纹与连通管走向平行，主裂纹多位于弯头背弧面的弧顶部位，最长的裂纹其长度接近弯头背弧面的弧长。

2.2 开裂时间

上述锅炉过热器连通管裂纹被发现时，锅炉的运行年限为8～10年，以每台锅炉平均每年运行7000小时计算，锅炉的运行小时数均不超过70000小时，远远低于低于锅炉及其连通管的设计寿命（20万小时）。根据现行的《锅炉定期检验规则》的规定并结合电厂的大修周期，目前电站锅炉的内部检验周期为2～3年，因此可以判断上述导管发生开裂发生在锅炉运行5～7万小时之间，为典型的材料早期失效现象。

下面再比较一下同一家电厂，各台锅炉出现高温过热器连通管裂纹的时间和数量。2011年在对A电厂1#锅炉进行内部检验时，发现其六根高温过热器连通管中有四根出现裂纹，2012年对该电厂2#锅炉进行内部检验时，六根连通管中有四条出现裂纹。2012年年初对电厂B1#锅炉进行内部检验是，发现其六根高温过热器连通管中有五根出现裂纹，且裂纹长度接近弯头背弧面的弧长，电厂不得不更换了这六根连通管。2012年年底对该电厂2#锅炉进行内部检验时重点检查了高温过热器连通管，仅发现三根管子上出现裂纹，且长度均不超过150mm。由此可见，在锅炉运行小时数基本相同的情况下，同一家电厂的锅炉，1#炉出现的裂纹比2#炉出现的裂纹更多，更长，更容易引起材料的失效，发生连通管的破裂，从而导致锅炉的非正常停炉，影响电厂的发电和供汽。此外，上述电厂的3#、4#锅炉在运行小时数接近70000小时进行的内部检验中，仅发现个别的轻微裂纹，经表面打磨处理后，裂纹消失，不影响锅炉的安全运行。

3、连通管早期裂纹形成原因浅析

高温过热器连通管位于高温过热器出口集箱上部，其工作温度与主蒸汽温度相同，是整台锅炉中工作温度最高的锅炉部件。钢管长期处在高温的条件下，其内部微观组织结构会发生老化和蠕胀损伤，蠕变损伤逐步扩大可发展成为宏观的蠕变裂纹，即我们在上述电厂中发现的裂纹。如果这些蠕变裂纹继续扩展，最终会导致钢管的开裂。这种开裂属于材料的脆性开裂，开裂前基本上没有明显的前兆。蠕变损伤的影响因素主要是温度和应力。温度越高、应力越大，蠕变损伤发生的时间越早、扩展的速度越快。曾经有人对此进行过定量的研究，得出的结论是，钢管的工作温度在其正常工作温度基础上提高10℃，钢管的运行寿命将减少一半；温度和应力的周期性波动引起的疲劳应力会使蠕变损伤速度成倍增加。

根据上述连通管裂纹发生的时间以及连通管的外表面颜色特征和裂纹的形状特征可以推断，产生高温过热器连通管裂纹的主要原因是钢管的工作温度超过其正常工作温度，即蒸汽超温。之所以同一家电厂中前期投用的锅炉出现裂纹的现象最为严重，是因为电厂投运初期（1-2年内），司炉人员对锅炉的操作不熟练，容易造成锅炉蒸汽的长期超温、超压以及蒸汽温度和压力的频繁波动。随着司炉人员对锅炉运行熟练程度的提高，上述现象会减少。因此，后投产的锅炉在运行同样的小时后，过热器连通管因为超温、超压发生早期裂纹的几率大大降低了。在查阅了锅炉投用初期的运行记录后，也验证了以上的结论。

4、对高温过热器连通管进行内部检验时的建议

根据上述分析可以看出，过热器连通管发生早期裂纹的内在原因多为超温和超压，导致超温和超压的因素主要是司炉人员对锅炉运行操作不熟练，这是难以避免的。因此，为减少锅炉（尤其是最初投用的锅炉）的过热器连通管因早期裂纹而导致的开裂失效，应该在锅炉运行7万小时左右，结合锅炉大、小修时间，对高温过热器连通管弯头背弧面进行全面检查，这有利于及早发现钢管上出现的裂纹，有利于杜绝因过热器连通管突然开裂而导致锅炉停炉甚至发生人员伤亡事故。建议运行7万小时后，对所有过热器连通管的弯头外弧进行100%磁粉检验和金相组织抽查。如果锅炉在运行过程中超温和超压情况比较严重，则对上述连通管进行全面检查的时间还应该提前。对其它锅炉的过热器连通管，也要根据运行记录中的温度波动情况，制订合适的检验方案。如发现有长时间的超温记录，也要进行结合电厂的检修时间进行全面的监督检验。