98-F-CAM-633

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

سودابه خليلي اعظم باجقلي پژوهشگاه نيرو

تهران

لوله بويلر ، ساپورتينگ تيوب ، اورهيت ، آناليز تخريب: واژه هاي كليدي

:چكيده

ا و آزمايشهاي انجام اين مقاله شامل نتايج بررسيهشده بر روي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد . نيروگاهي به منظور تعيين علت گسيختگي آنهاست

بررسيها نشان داد كه تخريب با توجه به شكل ظاهري، افزايش مقدار دما ،افزايش سختي در محل تخريب و تغييرات ريزساختاري رخ داده شده ،

قطع يا كاهش جريان . شداورهيت كوتاه مدت مي باسيال ، پايين بودن سطح آب درام و نيز تنظيم نبودن مشعلها عوامل موثر بر ايجاد اين نوع تخريب مي باشد، و برطرف كردن اين عوامل باعث پيشگيري از

. شود نوع تخريب مي اين مقدمه -2

بويلر يكي از بخش هاي اساسي واحدهاي ر نيروگاهها در ساير عالوه ب .نيروگاهي بخاري است

صنايع نيز در تامين نيروي محركه، بخار داغ و برق الزم، نقش تخريب لوله هاي قسمت هاي مختلف بويلر از . مهمي دارد

به . . عوامل مهم توقف هاي اجباري واحدهاي بخاري مي باشدهاي تخريب شده به منظور همين دليل ارزيابي و بررسي لوله

خريب و به دنبال آن انجام تغييرات الزم تعيين دليل يا داليل ت. جهت جلوگيري از تكرار آن از اهميت باالئي برخوردار است

در همين راستا ، در اين مقاله داليل تخريب لوله هاي . ساپورتينگ يك بويلر نيروگاهي مورد بررسي قرار گرفته است

هاي تخريب شده وشرايط مشخصات لوله-3

بهره برداري هاي ساپورتينگ اي تحقيق حاضر، شامل لولهنمونه ه

تخريب شده بويلرتقريبا در يك موقعيت مكاني و در دو زمان بر طبق مدارك موجود جنس لوله ها مطابق با . متفاوت مي باشد

تركيب شيميائي و خواص . استDIN , 15Mo3استاندارد

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

المللي برق بيست و دومين كنفرانس بين

آورده ) 2(و ) 1(مكانيكي اين فوالدها در جداول مشخصات لوله هاي ساپورتينگ ساير. شده است

باشد به شرح زير ميبر طبق اطالعات دريافت شده از نيروگاه شرايط

.بهره برداري به شرح ذيل مي باشد درجه سانتيگراد300 حدود: دماي فلز • 136000ساعت كاركرد لوله اول •

ساعت 160163ساعت ، لوله دوم

حداكثر آب فشرده : سيال داخل لوله • درجه 230 با دماي و بار130

سانتيگراد

kg/Cm2h 750: سرعت سيال •

به صورت تر : روش نگهداري •

استفاده از فسفات : كنترل شيميائي آب • تري سديم و هيدرازين

گاز طبيعي و گازوئيل : نوع سوخت •

عمدتا : گازهاي حاصل از احتراق •CO, CO2, H2O,...

روش تحقيق -4

يب، بررسيها به منظور تعيين داليل تخر .وآزمايشهاي زير صورت گرفته است

بررسي سوابق كاري و تعميراتي بويلر -هاي تخريب لوله بر روي بررسيهاي ظاهري -

شده هاي نو و تخريب شده آناليز شيميايي لوله -

هاي نو و تخريب گيري ابعادي لوله اندازه - شده

هاي تخريب شده سختي سنجي ماكرو لوله -

هاي بر روي لولهبررسيهاي ريزساختاري -تخريب شده با ميكروسكوپ نوري و

SEM)(الكتروني

اندازه گيري ضخامت اليه اكسيدي - - هاي تخريب شده داخلي و خارجي لوله

نتايج آزمايشها-5

هاي ظاهري بررسي- 5-1

سطوح داخلي و خارجي، نحوه گسيختگي و شكل ظاهري نماي ) 2(و ) 1(در شكلهاي . تخريب مورد بررسي قرار گرفت

ظاهري لوله هاي تخريب شده را نشان مي دهد، همانطور كه مالحظه مي شود گسيختگي در طول محور لوله بوجود آمده و . تورم نيز در محل ترك و پشت ناحيه ترك رخ داده است

هاي تيز بوده و ميزان تغيير تخريب به شكل دهان ماهي و با لبه . دباش شكل در ناحيه گسيخته شده باال مي

آسيبهاي . ها در لبه ترك كاهش يافته است ضخامت لوله ها بصورت فرورفتگي هاي بوجود آمده درسطح داخلي لوله

نسبتاً كوچكي است كه به دليل حركت سيال و سايش آن در در سطح داخلي و خارجي مقدار . هنگام حركت طبيعي مي باشد

با كمي رسوب به همراه آثار خوردگي مشاهده مي شود، كه توجه به ضخامت كم اليه اكسيدي تشكيل شده در سطح داخلي و خارجي مشكلي از لحاظ خوردگي و اكسيداسيون در اين لوله

.ها وجود ندارد

گيري ابعادي اندازه-5-2

هاي نتايج ضخامت سنجي لوله) الف و ب 3(در جدول

كه در محل آزمايشگاه انجام گرفته شماره يك و دومستعملشود كاهش مالحظه ميهمانطوريكه . ائه شده است ار،است

باشد بلكه در سرتاسر لوله، ضخامت فقط در محل ترك نمينسبت درصد كاهش ضخامت. كاهش ضخامت رخ داده است

32به ضخامت اسمي لوله در قسمت آسيب ديده براي لوله يك درصد و در قسمت سالم لوله 66درصد و لوله شماره دو

بررسيها . باشد درصد مي23 لوله شماره دو و17شماره يك دهد حتي در قسمت صاف دور از ترك نيز اندكي نشان مي

. كاهش ضخامت وجود دارد

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

المللي برق بيست و دومين كنفرانس بين

آناليز شيميايي-5-3جهت تعيين آناليز شيميايي لوله گسيخته، قطعه اي از لوله در ناحيه دور از ترك آماده سازي و به

406 روش كوانتومتري بر طبق استاندارد

ASTM مورد آناليز قرار گرفت كه بررسي نتايجدهد كه تركيب شيميايي لوله مربوطه نشان مي

15Mo3مستعمل در محدوده آناليز شيميايي فوالد .قرار دارد) 1جدول (

سختي سنجي-5-4

هاي مورد نظر و در نقاط سختي سنجي از لوله انجام 5/187مختلف آن به روش برينل و با نيروي

هاي نتايج سختي سنجي ماكرو بر روي لوله. شدمستعمل ساپورتينگ كه در آزمايشگاه انجام گرفته

مقادير سختي نشان . ارائه شده است4در جدول دهند كه سختي نقاط دور از ترك و پشت محل مي

تغيير ) 2جدول (ترك نسبت به سختي فوالد نو اما سختي محل ترك خيلي . است نيافته چنداني

به جهت بررسي . مي باشد15Mo3ر از فوالد بيشتهاي ريز ساختاري انجام گرفت هاي بيشتر بررسي

.كه در ادامه نتايج آن ارائه خواهد شد

بررسي هاي ريزساختاري-5-5

به منظور بررسي ريزساختاري از سه منطقه محل ترك، پشت محل ترك (هاي تخريب شده لوله

هاي شكل. استنمونه برداشته شده ) و دور از تركها را در تصاوير ريزساختاري لوله) 7(و ) 6(و ) 5(

) 4(در شكل . دهند هاي فوق نشان مي مكان .ريزساختار لوله نو نشان داده شده است

:لوله شماره يك) الف

ريزساختار محل ترك در اثر افزايش دما كامالً :محل ترك –يتي پرليتي به حالت فر–متالشي شده و از حالت فريتي

دماي فلز در هنگام ). الف-4شكل ( بينيتي تبديل شده است سانتيگراد بوده است ، درجه) 2مرجع (727تخريب احتماالبرابر درجه سانتيگراد و دماي شروع 230برداري درحاليكه دماي بهرهضخامت اليه . باشد درجه سانتيگراد مي570اكسيداسيون فوالد

باشد، در سطح رون مي ميك80اكسيدي داخلي در حدود ميكرون 60خارجي ترك نيز اليه اكسيدي به ضخامت حدود

ضخامت دكربوره در اليه داخلي و خارجي . تشكيل شده است . آورده شده است) الف-5(در جدول

ريزساختار پشت ترك پديده كروي در: پشت محل ترك

اما اتفاق افتاده است) ناشي از افزايش دماي فلز(شدن كاربيدها ). الف-5شكل (هاي فريت وپرليت قابل تشخيص مي باشند دانه

در سطوح داخلي و خارجي اليه اكسيدي با ضخامت كم زدايي رخ داده است كه در تشكيل شده است و فرآيند كربن

. آورده شده است) الف-5(جدول

پرليتي - ريزساختار دور از ترك تقريباً فريتي:دور از ترك و فقط اندكي پديده كروي شدن كاربيدها ) تار نومشابه ريزساخ(

). الف-7و تشكيل كاربيدهاي مرزدانه اي مشاهده مي شودشكل در سطح خارجي و داخلي اليه اكسيدي تشكيل شده و فرآيند

)).الف-5(جدول(زدايي رخ داده است كربن : لوله شماره دو) ب

تصوير ميكروسكپ نوري از ) ب4( در شكل :محل ترك عالوه بر سطوح . مقطع لوله در ناحيه ترك ارائه شده استسطح

هاي ترك نيز به ميزان كمي در داخل خارجي و داخلي لبهاليه دكربوره در سطح داخلي ناحيه . اند جداره فلز اكسيد شده

ترك مشاهده نمي شود ولي در سطح خارجي اليه دكربوره با طوح داخلي هائي در س ضخامت كم وجود دارد و همچنين حفره

با توجه به تصاوير احتماال ساختار . شود و خارجي مشاهده ميباشد كه به منظور حصول اطمينان از بينايتي مي-فريتي

در آن (SEM)ريزساختار بررسي هاي با ميكروسكپ الكترونيتصاوير مربوط به ميكروسكوپ الكتروني . مقاطع انجام گرفت

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

المللي برق بيست و دومين كنفرانس بين

ريز ساختار آورده شده است كه9 تا 7در شكلهاي را از محل ترك تا فواصل دورتر از لبه ترك نشان

شود در لبه ترك همانطور كه مالحظه مي. دهد ميكشيدگي دانه ها و در نواحي دور از ترك بينايت

. تشكيل شده استريزساختار محل ترك در اثر افزايش دما و سپس

پرليتي –عبور سيال استحاله يافته و از حالت فريتي تغييرات . تبديل شده است بينيتي–الت فريتيبه ح

، مقادير سختي و ساير موارد بررسي ريزساختاري دمائ فلز قبل از تخريب نشان مي دهد كه شده

دود حدر بسيار افزايش يافته و به بيش از حد مجاز°C 727 رسيده است، با افزايش شديد دما و به تبع

ده و آن كاهش استحكام فلز به جهت دكربوره شكاهش نسبي ضخامت لوله و تنش ناشي از فشار

و نهايتا ترك ) تاول ( سيال منجر به تشكيل برآمدگي . گرديده است

اندازه گيري ضخامت اليه هاي اكسيد داخلي و خارجي و عمق ناحيه دكربوره شده در مقاطع دور از ترك، پشت ترك و محل ترك انجام شده و نتايج

. ارائه شده است) ب-5(حاصله در جدولهاي شود ضخامت اليه همانطوريكه مالحظه مي

. اكسيد داخلي و خارجي قابل توجه نمي باشد

در ريزساختار پشت ترك : پشت محل ترك ناشي از افزايش دماي (پديده كروي شدن كاربيدها

اتفاق افتاده است اما دانه هاي فريت و پرليت ) فلزتصوير ) ب-5(شكل . باشند قابل تشخيص مي

ميكروسكوپ نوري از ريز ساختار در ناحيه پشت . ترك را نشان مي دهد

در سطوح داخلي و خارجي كمي اليه اكسيدي تشكيل شده و فرايند كربن زدايي نيز رخ داده است

همچنين حفرات ناشي از خوردگي ). ب-5جدول (

نيز در سطوح داخلي و خارجي ناحيه پشت ترك مشاهده مي .شودتصوير ميكروسكپي از سطح ) ب(6 شكل :ور از ترك د

ريز ساختار . مقطع لوله در ناحيه دور از ترك ارائه شده استباشد كه ساختار پرليتي در پرليتي مي–دور از ترك فريتي

بعضي نواحي تجزيه و يا پديده كروي شدن كاربيدها و تشكيل به ساعت شود ، كه با توجه كاربيدهاي مرزدانه اي مشاهده مي

ساختار مشاهده شده طبيعي مي ) سال 20حدود ( كاركرد لوله .باشد

نتيجه گيري-6

تخريب به شكل دهان ماهي و با لبه هاي تيز بوده و - . باشد تغيير شكل در ناحيه گسيخته شده باال مي ميزان

برآمدگي و فرورفتگيهائي لوله وخارجي در سطوح داخلي -ابل توجهي از رسوب ديده مشاهده مي شود ولي آثار ق

. شود نميسختي در ناحيه ترك نسبت به نواحي ديگر افزايش -

. يافته است

ضخامت در ناحيه ترك به شدت كاهش يافته ولي اين -باشد بلكه در كاهش ضخامت فقط در محل ترك نمي

سرتاسر لوله، به نسبت كمتركاهش ضخامت رخ داده .است

ث عدم تحمل فشار افزايش دما و كاهش استحكام باع - . داخلي لوله و پارگي آن شده است

ريز ساختار محل ترك به علت افزايش دما و عبور - بينيتي تبديل شده – پرليتي به فريتي –سيال از فريتي

.است با توجه به شكل ظاهري تخريب گسيختگيبنابراين علت

، افزايش مقدار سختي در محل تخريب وتغييرات .اورهيت كوتاه مدت مي باشد، اده شدهساختاري رخ د

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

المللي برق بيست و دومين كنفرانس بين

پيشنهادات-7با توجه به نوع و مكان تخريب و تكرار آن -

در يك منطقه در دو سال متفاوت، پيشنهاد مي گردد كه تمهيدات خاصي براي اين منطقه از بويلر در نظر گرفته شود از آنجمله تنظيم نمودن مشعلها، كنترل سطح

هاي بهره برداريآب درام ، كنترل پارامتربا توجه به زمان طوالني كاركرد لوله ها -

پيشنهاد مي شود با انجام ) سال20(آزمايش هاي الزم نسبت به برآورد عمر باقيمانده و ارزيابي آنها اقدام شود تا در

ها تعويض واز تعميرات اساسي لوله . تخريب نابهنگام آنها جلوگيري كرد

مراجع -71- R. Viswanathan, Damage

mechanisms and life assessment of high temperature components,

ASM Int., 1989. 2- D.N.French, metallurgical

failures in fossil fired boilers, 1983, Jhon Wiley and Sons.

3- The technical rules for steam boilers, TRD 300, Calculation for boiler

strength. 4- F. Masuyama, N.Nishimura

and T. Yokoyama,. Microstructural degradation in boiler tubes and metallurgical life assessment , Microstructure and Mech. Prop. Of aging mat., Ed. P.K. Liaw&Other, Min. Met.

&Mat. Soc. 1993. 5- H.Watanabe.etal.,

Development of creep life assessment technique for boiler parts of fossil – fired power plants,. Microstructure and Mech. Prop. Of aging

Mat., Ed. PK .Liaw&Other, Min. Met. &Mat. Soc. 1993.

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

المللي برق بيست و دومين كنفرانس بين

15MO3 تركيب شيميايي فوالد - 1جدول

15MO3 خواص فوالد -2جدول HBN

Elongation after

Fracture% Tensile Strength

(Mpa)

Yield Stress (Mpa)

170-130 24 590-440 260

(mm) در محل آزمايشگاه شماره يك نتايج ضخامت سنجي لوله ) الف-3جدول

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2,9 3,16 3,06 2,93 2,5 3,09 3,14 3,46 2,5 2,76 2,4 2,55 2,93لوله مستعمل

(mm) در محل آزمايشگاه شماره دو نتايج ضخامت سنجي لوله ) ب-3جدول

C Si Mn P CrMo Ni Al S عنصر

0.025 0.05≥ 0.3≥ 0.35-0.25 0.3 0.03 0.9-0.4 0.35≥ 0.2-0.12 درصدوزني

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

المللي برق بيست و دومين كنفرانس بين

-4جدول )HB(نگينتايج سختي سنجي لوله مستعمل ساپورت

پشت محل دور از ترك محل ترك ترك

159,5 154 272 شماره يكلوله

135 127 206 شماره يكلوله

μm)( ضخامت اليه اكسيدي و دكربوره در نواحي مختلف لوله گسيخته شماره يك -الف– 5جدول

پشت محل ترك دور از ترك محل ترك ناحيه

125 50 62 ضخامت اليه اكسيد داخلي

50 50 50 ضخامت اليه اكسيد خارجي

125 50 - ضخامت اليه دكربوره داخلي

125 100 - يضخامت اليه دكربوره خارج

μm)( ضخامت اليه اكسيدي و دكربوره در نواحي مختلف لوله گسيخته شماره دو -ب– 5جدول

پشت محل ترك دور از ترك محل ترك ناحيه

125 50 62 ضخامت اليه اكسيد داخلي

50 50 50 ضخامت اليه اكسيد خارجي

125 50 - ضخامت اليه دكربوره داخلي

رجيضخامت اليه دكربوره خا - 100 125

6 5 4 3 2 1

قطر خارجي لوله 34 7/42 6/34 8/33 55/33 2/33

قطر داخلي لوله 3/26 - - - - 5/26

77/2 4/3 2/3 81/2 22/1 66/2 ضخامت لوله در سمت

ترك

62/3 10/4 - - 65/3 63/3 ضخامت لوله در پشت

ترك

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

المللي برق بيست و دومين كنفرانس بين

لوله دو) لوله يك ب) نماي ظاهري لوله تخريب شده الف-1شكل

الف

الف

سطح داخلي

سطح خارجي

الف

ب

ب الف

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

المللي برق بيست و دومين كنفرانس بين

نماي ظاهري سطح داخلي و خارجي لوله هاي تخريب شده-2شكل

500ي تصوير ميكروسكوپ نوري از ريز ساختار لوله نو ساپورتينگ ،بزرگنماي-3شكل

)500بزرگنمائي(لوله دو ) و بلوله يك )، الف ريزساختار مقطع ترك – 4شكل

)500بزرگنمائي(لوله دو ) و بلوله يك )الف ريزساختار پشت محل ترك –5شكل

الف

الف ب

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

المللي برق بيست و دومين كنفرانس بين

)500بزرگنمائي(لوله دو ) لوله يك و ب) ريزساختار مقطع دور از ترك،الف– 6شكل

تصاوير ميكروسكوپ الكتروني از لبه ترك تا ناحيه دور از ترك-7شكل

الف ب

بررسي علل گسيختگي لوله هاي ساپورتينگ بويلر يك واحد نيروگاهي

المللي برق بيست و دومين كنفرانس بين

ضخامت سنجي اليه اكسيدي لبه ترك توسط ميكروسكوپ الكتروني-8شكل

تصوير ميكروسكوپ الكتروني از ساختار بينايتي موجود در نزديكي لبه ترك-9 شكل