热电联产和企业自备电站锅炉常采用母管制运行,主蒸汽母管多数处于超期未检状态。对一起在母管排查工作中的材质错用案例进行了分析。首先介绍了案例背景,然后采用力学、金相和化学的方法对被更换下的管段进行了对比分析,最后探讨了存在的安全隐患。

电站锅炉是重要的能源转化设备,定期检验对保障锅炉的安全、稳定运行起着至关重要的作用。《锅炉定期检验规则》规定了锅炉的检验范围和项目,但是热电联产锅炉和企业自备电站锅炉常采用母管制运行,《锅炉定期检验规则》规定的检验范围一直存在着无法严格执行的问题。近几年锅炉范围内管道接连发生事故,造成了较大的损失和社会影响,因此国家市场监督管理总局办公厅发文关于开展电站锅炉范围内管道隐患专项排查整治的通知(市监特函[2018]515号,以下简称515号文),进一步明确了电站锅炉范围内管道的检验范围及隐患排查工作。根据515号文的要求,在排查锅炉范围内超期未检的管道工作中,发现了一系列问题,本文针对一起锅炉管道材质错用案例进行了分析和讨论,对于以后的排查工作的重点有一定的借鉴和指导意义。

1案例背景

某自备电厂的主蒸汽母管检验,运行压力3.82 MPa,温度455℃,材质15CrMoG,规格中325 mm×13 mm,该母管运行时间超过1.0X105 h,根据515号文的要求,对该主蒸汽管道对接焊接接头进行100%无损检测、金相检验及硬度检测。在一期母管靠近端部阀门管段,见图1所示位置,在金相检验的过程中,对接接头热影响区和母材金相组织出现异常,见图2.

两直管段金相组织异常,中间弯头正常,15CrMoG正常组织为铁素体+珠光体,允许存在粒状贝氏体,而图中组织类似回火马氏体或回火索氏体。对异常管道母材部位进行硬度检测,硬度值在285~320HBHLD之间,考虑到里氏硬度计的误差,实际硬度值也严重超过了DL/T438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》中规定15CrMoG硬度值125~170HB的规定。在检验现场怀疑材质错用,进一步采用了便携式光谱仪进行合金元素含量检测,Cr含量1.14%Mo含量0.45%,不含V,元素含量基本符合GB5310《高压锅炉用无缝钢管》对15CrMoG元素含量的要求。

上述管段金相组织和硬度值异常,而合金元素含量又符合15CrMoG的特征,考虑到相邻的其他管段硬度值和金相组织均正常,现场判断或许是热处理出现了异常,现场手段已无法进行进一步分析和验证。考虑到金相组织异常且硬度值超出标准值太多,硬度超出近80%,存在严重的安全隐患,使用单位对此管段最终进行了更换处理。本文取回了更换的管段,进一步采用实验室的手段对更换下来的管段进行了分析,下面对此进行详细介绍。

2案例分析

2.1力学分析

考虑到材料由于制造或者热处理等原因导致材料硬度分布不均匀,锅炉管表面的硬度往往和内部及截面有区别,表面硬度的高低有时无法反应材料的真实硬度,因此对所更换下锅炉管进行取样,采用实验室台式布氏硬度计分别对其外表面、内表面及截面进行硬度检测,结果见表1。表1可以看出,外表面硬度略低于内表面及截面,但基本可以反映锅炉管的整体硬度情况,与现场里氏硬度计测得的数值(最大320HBHLD)也较为接近,由此说明现场便携里氏硬度计所测的硬度值也是可信的,严重超出了15CrMoG规定的标准值。

对更换的管段分别取拉伸试样和冲击试样,得出的结果见表2,试样的抗拉强度和屈服强度都极高,抗拉强度严重超出了15CrMoG的上限值。屈服强度和抗拉强度数值比较接近,没有明显的屈服阶段,断后伸长率低于15CrMoG的标准值,试样的塑形较低,而冲击吸收功又满足15CrMoG的要求,可见试样具有足够的抵抗瞬时冲击的能力。

通过以上力学性能分析可见更换的锅炉管具有很高的硬度、强度和抵抗瞬时冲击的能力,但是塑性较低。

2.2金相分析

对照硬度的试验位置,对更换管段进行取样,分别对外表面、内表面及截面进行实验室金相检验,得到照片见图3。由图3可见,内外表面及截面组织形貌相同,组织均匀,可否定表面热处理不均匀的原因所导致,同时与硬度得出的结果也相符。组织都不是GB 5310中规定的15CrMoG的组织状态,即非铁素体+珠光体,组织形态接近回火马氏体或者回火索氏体,具体判断还要结合热处理艺。后150~250℃回火,即低温回火,得到回火马氏体为主组织,具有高的强度、硬度、耐磨性及一定的韧性;淬火后500℃以上高温回火,即调质处理,得到回火索氏体组织,钢的强度、塑性和韧性得到恰当的配合,具有良好的综合力学性能。结合上面试样的力学性能结果,符合回火马氏体或回火索氏体的力学性能特征。

2.3化学分析

在检验现场采用便携式光谱仪测得的合金元素含量基本满足15CrMoG的成分要求,但是基于上述力学分析,判断此种材料可能并非低合金耐热钢,可能属于中碳钢,C元素含量的提高会提高材料的强度和硬度,而降低塑性,而便携式光谱仪无法测定C元素的含量。为验证猜测,进一步取样进行化学分析,得出的实验结果见表3。实验结果验证了猜测,C元素含量超出了15CrMoG的要求,其他元素含量均在要求范围之内。

3案例讨论

经过以上的力学、金相和化学分析可确认此段锅炉管属于材质错用。C元素含量超出了对低合金耐热钢的要求,低合金耐热钢一般控制在0.1%~0.2%之间。随着钢中C含量的增加,钢的室温强度增加,但是塑形和韧性降低,试验表明,在试验温度600℃以下时,随着C含量增加,钢的高温短时强度增加,而高温的塑性、韧性降低。同时提高含碳量会对钢的热强性产生不利影响[2],并且会降低钢在高温长期运行的组织稳定性,增加组织变化对钢性能的影响。除此之外,当钢中C元素含量超出0.25%时,焊接时容易产生裂纹,而更换下的管段C含量达到0.26%,对锅炉的安全运行存在极大的安全隐患。

4结语

主蒸汽母管的材质错用是由于缺乏有效管理和监督所导致,是极大的安全隐患,515号文加强了对主蒸汽母管的监督管理。在以后的排查工作中,应结合多种手段的检测结果,对出现异常的问题进行综合分析,最终来判定属于何种问题,以消除隐患,从而达到保障安全、稳定运行的目的。