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摘要：本文主要分析某大型火电公司锅炉后屏过热器出口联箱三通裂纹处理情况及其联箱失效的机理与原因，提出了预防和控制联箱失效的相应措施，降低因联箱失效引起爆管的机组非停。
关键词：联箱；裂纹；失效；预防措施
一．设备概况
某电厂5号机组是我国首批自行设计制造的660MW超临界机组，型号为SG2102/25.40-M953的超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构П型、露天布置燃煤锅炉。本锅炉于2006年11月投产，累计运行6.4万小时。
二．案例分析
5号锅炉于2013年5月进行了大修，大修中对后屏联箱三通焊缝进行了磁粉、超声波探伤，对焊缝两侧母材测厚，均未发现异常。2015年10月26日， 5号机组B级检修，在进行锅炉过热系统水压试验过程中，发现后屏过热器出口联箱左数第二个三通处发生泄漏，裂纹初始长约30mm,沿三通肩部纵向开裂（见图1）。
机组运行后应严格控制蒸汽参数，避免超温、超压，严格执行规程规定的温度升降速率。同时立即制造备品，尽早更换泄漏三通。该泄漏三通已于2016年2月14日更换为新三通，补焊后成功运行100天以上。事实证明补焊工艺是成功的。
三．联箱运行工况
联箱、蒸汽管道和汽包是电厂锅炉设备中三大厚壁压力部件。但联箱的工作条件比管道和汽包复杂得多，联箱除了受内压力所产生的压力外，还承受严重的热应力、连接管道的系统载荷，随着锅炉整体和炉墙膨胀，连接管道使得联箱端向炉下及炉后方向产生位移。沿着联箱整个长度存在温度梯度，同时沿锅炉宽度方向存在温度偏差。锅炉启停及在运行过程中负荷变化时，都要引起联箱内部流体温度的变化，从而在材料内部产生温差，所有这些因素都是产生热应力的根源。如果机组为调峰机组，则联箱的疲劳损坏将会显著的增加。由于联箱工作环境较为恶劣，同时联箱多部位为焊接结构，这些焊接部位出现损坏和裂纹的几率较多，影响电厂正常发电。过去国内对蒸汽管道开裂和寿命研究较为重视，但对联箱还没有给予应有的注意。事实上国内外的电站中，锅炉联箱的泄漏事故常有发生，这些事故大致可归结为脆性破裂、韧性泄漏，以及出现大量裂纹等。联箱破裂或爆破失效包括高温蠕变失效、疲劳失效、脆性失效、腐蚀失效等。
四．锅炉联箱材料的失效机理
1.高温蠕变失效
金属材料在高温高应力的长期作用下发生缓慢塑性变形的现象称为金属高温蠕变。由金属蠕变导致破裂称为蠕变破裂失效。失效原因为材料长期高温运行，运行温度高于材料蠕变温度，材质老化，如石墨化、珠光体球化、晶界碳化物析出等。焊缝及热影响区是高温蠕变易发区域，其失效特征为：
（1）存在高温高应力和长期运行的工件，永久变形速度缓慢。
（2）宏观断口有明显氧化色或黑色，有时能见到蠕变孔洞。
（3）微观断口多为沿晶断裂，没有疲劳条痕特征。
（4）蠕变区显微组织发生强化相溶解、珠光体球化、晶界碳化物聚集等现象。
2.疲劳破裂失效
金属材料或部件在变动载荷和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳破裂失效。疲劳破裂失效是一个由疲劳裂缝萌生、裂缝扩展、疲劳裂缝扩展失稳过程，即发生突然破坏的典型低应力破断过程。其失效特征表现为：
（1）变动载荷作用下，经过一定循环周期发生断裂现象，疲劳破裂是低应力脆断过程，具有突发性。
（2）疲劳破裂是一个裂缝萌生、裂缝稳定扩展和裂缝最后临界扩展瞬断过程，具有高度局部性和选择性。
（3）变动载荷作用下，失效件断口附近无宏观塑性变形特征，断口有明显贝壳花纹特征。
（4）失效断口微观形貌具有疲劳条痕特征。
3.腐蚀失效
由于按破坏形式的分类方法最能体现破坏后形貌的差异，所以这里依据破坏形貌的不同将其划归不同的失效破坏模式。
（1）均匀腐蚀失效。在整个金属表面均匀发生腐蚀作用称为均匀腐蚀失效。均匀腐蚀可认为是在整个金属表面上产生的局部电解腐蚀，均匀腐蚀的表面形貌可能色泽微暗，但仍较光滑，也可能被耗蚀一大片金属而使表面稍微变粗。
（2）点腐蚀。点腐蚀失效是指金属材料与环境中的游离物质之间的电化学作用而导致的失效。材料金属与环境介质的组合不当，温度不适造成氧化膜受损，金属表面状态不均等。腐蚀较集中于局部，呈尖锐小孔，进而向深部扩成孔穴，甚至穿透。
（3）应力腐蚀。材料在静载拉应力和特定的腐蚀环境共同作用下
产生的局部分离造成的破裂称为应力腐蚀失效。发生应力腐蚀失效的原因或影响因素主要有环境因素、力学因素、和冶金因素等。
4.脆性失效
脆性破裂失效是指裂缝在稳定扩展和失稳扩展中，无明显的塑性变形过程而导致的断裂失效。脆性失效是一种很危险的断裂方式。这是由于脆性破裂之前通常无预警信号而突然发生，往往酿成非常严重的事故和损失。其失效特征为：在断裂前没有可以察觉的塑性变形，断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，颜色比较光亮。影响脆性失效的因素有：
（1）化学成分。含有Cr、Mn、Ni等元素的钢易有热脆性，当加入Mo、W、V等元素可使热脆性降低。P的存在可使热脆性倾向加大。
（2）运行时间。运行时间越长，热脆性发展的影响越大。
（3）蠕变的塑性变形和新相的产生。在很多情况下，蠕变的塑性变形促进热脆性发展，特别当固溶体在运行时析出强化相，如金属间化合物、氮化物及碳化物时更促进热脆性发展。
（4）钢的组织特征和稳定性。热脆性的发展程度和速度及其发生的温度范围也取决于钢的组织特征和稳定性。组织稳定的钢对热脆性敏感性小。
5.韧性失效
在断裂之前发生明显的宏观变形的断裂称为韧性破裂。韧性破裂是金属材料破坏的方式之一。当韧性较好的材料承受的载荷超过了该材料的强度极限时，就会发生韧性破坏，断口表面呈纤维状，断口颜色呈灰暗色。所以必须严格管理，按规程装设安全泄压装置，严格按运行操作规程进行操作。
五．锅炉联箱失效的预防措施
前面分析了联箱的结构因素、运行工况、受力情况和失效因素，所以说联箱失效的原因是复杂的，因此，金属监督成为避免联想事故的主要手段。在机组大修中，应对重点联箱的损伤情况进行全面的检查，并做好记录，以备对比和分析，检查的手段主要是资料审查，宏观检查、表面探伤和组织检查。检查内容应包括：
（1）新进联箱管道做好入厂检查，包括材质检测、硬度检测、金相组织检测，另着重注意铸件锻件中的缩孔、缩松、裂纹缺陷。
（2）对应检锅炉、联箱的设计、安装和制造的资料进行收集，对锅炉自投运以来的运行资料包括运行方式，联箱的实际运行压力、温度及压力波动，锅炉运行的总小时数，不同工况下的启停情况进行统计。
（3）集汽联箱箱体进行宏观、硬度、壁厚和金相检查；安全门接管座、变径管焊缝要定期进行探伤检查。
（4）高温过热器和高温再热器出口联箱应进行箱体宏观、硬度、覆膜金相检验，封头焊缝、排管管座要进行探伤抽查。
（5）与联箱连接的大直径管三通焊缝应进行外观检查和表面探伤。必要时应做超声波探伤。
（6）用工业内窥镜检查混合式减温器内壁、内衬、喷嘴，应无裂纹磨损、腐蚀等情况。吊耳与联箱之间的焊缝做外观检查和表面探伤，管座角焊缝做外观检查，必要时作表面探伤。
（7）对管座角焊缝进行外观检查，应无裂纹，必要时进行表面探伤
根据检查结果采取如下措施：较浅的表面缺陷应磨除干净，磨除后如剩余壁厚小于强度计算壁厚，应采取修补措施。如发现裂纹，应采取更换措施。易损件如弯头若减薄严重，应及时予以更换。
参考文献
[1] 赵永宁 邱玉堂. 《火力发电厂金属监督》北京： 中国电力出版社, 2007.
[2] 蔡文河 严苏星. 《电站重要金属部件的失效及其监督》 中国电力出版社, 2009
[3] 刘勇.锅炉设备及系统. 武汉大学出版社
论文作者:焦海
论文发表刊物:《电力设备》2016年第23期
论文发表时间:2017/1/18
标签：脆性论文; 锅炉论文; 断口论文; 应力论文; 疲劳论文; 发生论文; 裂纹论文; 《电力设备》2016年第23期论文;