王　松，何淑芬，宋永平，谷树超，李　炅

(1. 上海明华电力技术工程有限公司，上海　200090；2.上海申能临港燃机发电有限公司，上海　201306)



余热锅炉再热喷水减温器断裂失效分析

王松1，何淑芬1，宋永平2，谷树超1，李炅1

(1. 上海明华电力技术工程有限公司，上海200090；2.上海申能临港燃机发电有限公司，上海201306)

摘要：通过对某电厂余热锅炉再热喷水减温器断裂件的失效分析，认为悬臂梁结构的减温器在减温水投运过程中，部件会承受热应力及再热蒸汽的冲刷，长期运行在应力集中部位导致疲劳断裂。建议优化减温器结构，加强监督检查，保障锅炉的安全运行。

关键词：余热锅炉；减温器；疲劳失效

再热减温器作为再热汽温调节必不可少的辅助调温手段，对燃气轮机机组的调峰运行起到非常重要的作用，但其运行工况比较恶劣，既要承受高温再热蒸汽的冲刷，又要承受喷水的急冷，对其长期安全的运行提出了严峻的挑战[1]。本文就某电厂余热锅炉再热喷水减温器失效的原因进行分析，并对其提出改进的建议。

1材料及使用工况

再热喷水减温器管材料为SA213-T22，由法兰、喷水管和套管组成，减温水蒸汽温度为180℃，再热蒸汽温度为560℃，压力为8.8 MPa，减温水喷射方向和蒸汽流动方向均垂直向上，如图1所示，断裂发生在喷水管和套管的角焊缝处。

图1　再热喷水减温器

2断口形貌分析

对断口进行清洗如图2所示，断裂发生在喷管细管与套管的搭接角焊缝区域，断面呈圆环形，沿着焊趾分布，断面形状比较平整，断口表面区域近外表面有多个小台阶，表明为多源启动的疲劳断裂，断裂从外表面焊趾处起始向内表面扩展；断口左上方特征比较粗糙，有撕裂的痕迹，呈现终断形态，而且图2中A处存在疲劳裂纹扩展的迹象[2-3]。

图2　减温器断裂宏观形貌

图2断口的左边焊缝与套管的熔合线B处发现裂纹的存在，裂纹沿着焊趾分布，近尾端向焊缝内扩展(见图3)。从裂纹发生的位置及扩展走向来看，此裂纹更多是因拘束热应力造成的。细管内为温度较低的冷介质，而套管为高温部件，因此在喷水运行过程中，细管因冷却收缩在焊缝焊趾处产生紧缩应力，再附加焊趾处的应力集中效应，致使此处诱发裂纹，而裂纹、未焊透等缺陷的存在会大大降低疲劳强度[4]。

图3　B处焊趾裂纹

对断口的下方区域进行扫描电镜分析，图4上侧为管外壁，断面的表层区域内存在多个疲劳启动台阶，符合多源启动的特征，断面在内表面区域比较平滑，且存在横向的扩展条纹，与断面的断裂方向成垂直关系。断口下方中间区域形貌如图5所示，呈现明显的准解理形貌，并有疲劳条纹的存在，但是由于氧化腐蚀等原因，疲劳条纹有点模糊不清。

表1　相关元素分析　wt%

图4　断口下方形貌

图5　断口下方中间区域形貌

3化学成分和组织分析

取样进行化学分析，结果如表1所示，相关元素的含量符合ASTM-SA213中对T22的要求。

断面近焊缝表面起始区域组织分布形貌见图 6所示，图左侧为焊缝表面，表面有氧化现象。图右侧为断面，断面较平整，可见断裂起始于熔合线热影响区。断面表面区域组织为贝氏体+铁素体，焊缝组织为贝氏体+铁素体。

对断裂喷管另一侧进行室温拉伸试验，1号管常温力学性能基本满足ASME SA213对T22钢的要求[5]，但其中屈服强度略低于标准要求的下限。常温力学性能如表2所示。

图6　断口剖面组织表面形貌

序号样品编号Rp0.2/MPaRm/MPaA/%11号管-120445532.521号管-220046331.531号管-320146231.0《ASMESA213》T22钢≥205≥415≥22

4断裂机理分析

通过对再热喷水减温器的断口和组织分析，该处部件的失效机理为多源启动的疲劳断裂。喷管喷嘴端较大且为自由端，焊接区域为长杆(管)的悬臂梁的支点，在运行中，会承受自重、蒸汽的冲刷和减温水投运时产生的反作用力，且该燃机机组参与调峰启停次数较为频繁，使得再热蒸汽量和减温水量变化较大，对应的载荷也会随之变化；杆端贯量在焊接区(支点)形成很大的弯矩，且在焊趾陡角(支点)处因应力集中产生附加应力，致使发生多源启动的疲劳开裂。另一方面，喷管投运喷水过程中在焊趾处产生的拘束热应力也对此处的开裂有一定的贡献作用[6]。

5结语

(1)再热喷水减温管属于简单的悬臂梁结构，在流动介质环境中工作易产生振动而在局部应力较大处(套管和喷管搭接的角焊缝处)形成疲劳裂纹，裂纹从外壁向内壁发展，最终导致失效断裂。

(2)套管和喷管搭接的角焊缝处存在应力集中效应，并且由于减温水和再热蒸汽温差大，喷管和套管之间存在热应力，容易产生热疲劳开裂，已在断口角焊缝的另一侧焊趾处发现裂纹。

(3)减温器管材质为SA213-T22，常温拉伸性能结果来看，试样的屈服强度较低。

(4)建议优化结构设计，采用更为合理的结构，应避免容易引起应力集中的连接形式和焊接缺陷；确认喷管结构的材质设计及其供货条件，材质不良或热处理不当会降低材料的强度和疲劳抗力；此外，应加强对减温器喷管的日常监督和检查，从而减少类似事故的发生，提高机组运行的安全性[7]。

参考文献：

[1]尹侠，郑剑飞，何本寿.再热器喷水减温器裂纹分析及结构改进[J]. 锅炉技术，2013，44(3)：61-63.

YIN Xia,ZHENG Jian-fei,HE Ben-shou.Reheat-er spray desuperheater crack analysis and str-uctural Improvements[J]. Boiler Technology,2013,44(3):61-63.

[2]钟群鹏，赵子华.断口学[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]Berek Hull.断口形貌学:观察、测量和分析表明形貌的科学[M].北京：科学出版社，2009.

[4]拉达伊，郑朝云，张式程.焊接结构疲劳强度[M].北京：机械工艺出版社，1994.

[5]ASME SA-213/SA-213M, Specification for seam-less ferritic and austenitic alloy-steel boiler,su-perheater,and heat-exchanger tubes[S].2006:1-11.

[6]刘峰，严恺平. 600 MW机组锅炉减温器断裂原因分析及改进措施[J].热力发电，2007(5)：87-88.

LIU Feng,YAN Kai-ping.Cause analysis of desuperheater fracture for boiler of 600 MW unit[J].Thermal Power Generation, 2007(5):87-88.

[7]DL/T 438-2009.火力发电厂金属技术监督规程[S]. 北京：中国电力出版社，2009.

(本文编辑：严加)

Analysis of Spray Water Pipe Rupture of Reheating Desuperheater of Waste Heater Boiler

WANG Song1, HE Shu-fen1, SONG Yong-ping2, GU Shu-chao1, LI Jiong1

(1. Shanghai Minghua Power Technology Engineering Co., Ltd., Shanghai 200090, China;2. Shanghai Shenergy Lingang Gas Turbine Power Generation Co., Ltd., Shanghai 201306, China)

Abstract:The cause of spray water pipe rupture of reheating desuperheater of waste heater boiler was analyzed in this paper. It is believed that as a cantilever structure when the desuperheating water is put into operation, the spray pipe will bear thermal stress and reaction forces caused by reheat steam; then fatigue fracture will occur in the area of stress concentration under long-time running. Optimization of the structure of reheating desuperheater is proposed, and supervision and inspection should be strengthen to ensure the boiler safe operation.

Key words:waste heater boiler; desuperheater; fatigue fracture

DOI：10.11973/dlyny201602022

作者简介：王松(1986)，男，硕士，工程师，主要从事电站金属部件检测及失效分析工作。

中图分类号：TK223.3

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)02-0247-03

收稿日期：2016-01-18