对600MW超临界机组液氨罐筒体超声波检测异常的分析

朱海宝，王小林，高国宏，卓仁春，严 正

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州 310030；2.贵州华电桐梓发电有限公司，贵州遵义 563200）

对600MW超临界机组液氨罐筒体超声波检测异常的分析

朱海宝1，王小林2，高国宏1，卓仁春1，严 正1

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州 310030；2.贵州华电桐梓发电有限公司，贵州遵义 563200）

用超声波测厚仪对某电厂600MW超临界机组液氨罐筒体（Q345R钢板）进行测厚，发现超声波测厚仪显示数值只有钢板实际壁厚的一半。通过对测厚异常钢板进行超声波检测、化学成分分析、金相分析、拉伸、弯曲、低温冲击等试验，发现钢板芯部金相组织为3级带状铁素体和珠光体组织，钢板的力学性能满足标准要求。分析认为钢板生产工艺不当是导致铁素体和珠光体3级带状组织形成的主要原因。

Q345R;超声波检测;液氨罐;力学性能

1 引 言

氮氧化物（NOx）是造成大气污染的主要污染源之一。我国氮氧化物的排放量中70％来自于煤炭的直接燃烧，电力工业又是我国的燃煤大户，因此火力发电厂是NOx排放的主要来源之一［1-2］。大型燃煤火电机组实施脱硝工程已经成为火电机组达标排放的必要条件之一，越来越多的火电机机组将陆续加装脱硝装置［3］。液氨是火电机组中常见的一种脱硝还原剂，是一种中度毒性、易燃易爆性物质，万一从容器中泄漏会造成巨大危害。2013年6月3日，吉林省发生液氨泄漏事故，导致120人死亡，70人受伤。2013年8月31日，上海发生液氨泄漏事故，导致15人死亡，25人受伤。

对某600MW火电厂脱硝系统液氨储罐进行超声波测厚，发现其中一台液氨罐筒体上两块钢板部分区域出现超声波测厚异常。目前国内文献［4-10］虽有关于钢板超声测厚不合格原因的分析研究，但多偏于钢板原材料力学性能或超声波检测领域，未对两者进行综合分析，且关于火电厂液氨罐钢板测厚异常现象还未见相关研究资料。因此笔者决定对这一现象进行研究，为将来火电厂液氨罐筒体材料在选材和在役寿命等方面提供思路和理论支持。

2 超声波检测情况

液氨储罐工作介质为液氨（水含量＞0.2％），工作压力为1.9MPa，设计使用温度为-19～50℃，使用材料为Q345R，设计壁厚26mm，供货钢板为热轧态。图1（a）是R12-157液氨罐壳体A3、A4钢板超声波测厚异常处显示数值为13.1mm。图1（b）是异常钢板焊缝边缘处（正常处）显示的数值为26.4mm，符合设计要求。图2是R12-157液氨罐超声波检测位置示意图。针对A3、A4区块钢板超声波测厚显示异常的情况，为了评估测厚异常处的分布和面积占比，分别在A3、A4钢板上打磨出1100×900mm范围的脱漆层进行超声波无损检测，如图3所示。在检测范围内，依据100mm每格长度，进行格子扫查，在扫查过程中发现，无论是纵向还是横向扫查，测厚数据异常处均出现超声波缺陷反射波，如图4所示。从图中可看出缺陷反射波F和底波B，异常处呈条状分布，占整个检测面积约计80％。

图1 超声波测厚数值 （a）异常处;（b）正常处Fig.1 Thickness measurement by ultrasonic testing（a）Abnormal;（b）Normal

图2 液氨罐厚度抽检区域示意图Fig.2 Schematic diagram of the liquid ammonia tank

图3 超声波检测区域尺寸示意图Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic detection area

图4 超声波检测显示照片Fig.4 Picture of ultrasonic testing

3 理化试验分析

针对超声波检测异常钢板，联系生产厂家从生产该液氨储罐的余料中找到了两块超声波测厚异常情况类似的钢板，一块厚度为26mm，一块厚度为30mm。分别在两块钢板上取样，进行了化学分析、金相、拉伸、弯曲和冲击等理化性能检测。

3.1 化学成分分析

对厚度为26mm和30mm两块钢板1/4厚度和1/2厚度处分别取样进行化学分析，分析结果如表1所示，其中编号#1和#2为26mm厚度钢板1/4处和1/2处;编号#3和#4为30mm厚度钢板1/4处和1/2处的分析结果。从表中看出钢板主要化学元素成分符合标准DL/T 991-2006规定的Q345R要求;芯部未出现明显化学成分偏析现象。

表1 化学分析结果Table 1 Results of chemical analysis

3.2 金相组织分析

图5a为26mm厚度钢板试样放大100倍的金相照片，组织为铁素体加珠光体带状组织，带状组织评为3级;图5b为放大500倍的金相照片，组织为铁素体加珠光体带状组织，未见明显分层、裂纹等危害性缺陷。图5c中为30mm厚度钢板放大100倍的金相照片，组织为铁素体加珠光体带状组织，带状组织评为3级;图5d为放大500倍的金相照片，同样未见明显分层、裂纹等危害性缺陷。两块钢板组织致密，没有发现有分层、夹杂物等危害缺陷的存在，但都出现明显带状组织，评为3级，这是由于热轧态供货钢板的轧态工艺措施控制不当所致。

图5 储氨罐钢板金相组织照片 厚26mm的钢板试样：（a）100×;（b）500×;厚30mm的钢板试样：（c）100×;（d）500×Fig.5 Microstructure pictures 26mm thickness：（a）（c）100×;30mm thickness：（b）（d）500×

3.3 拉伸性能

在WAW-Y500C微机控制电液伺服万能试验机上对试样进行拉伸试验。26mm厚度钢板编号#1，30mm厚度钢板编号#2，两块钢板1/2厚度处试样的拉伸性能如表2所示。

表2 拉伸力学性能Table 2 Tensile mechanical properties

根据GB 713-2008标准要求，厚度为16～36mm热轧状态的Q345R钢板，屈服强度为不小于325 N/mm2，抗拉强度为500～630N/mm2，延伸率不小于21％。由表2可知，该钢板1/2厚度处材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率等力学性能符合标准规定，满足使用条件。

3.4 弯曲冲击性能

在WAW-Y500C微机控制电液伺服万能试验机上对试样进行弯曲试验。按GB 713-2008，热轧状态的Q345R钢板，在厚度大于16mm时，弯曲试验需要满足d=3a，即弯曲直径为厚度的3倍。

试验采用面弯曲，弯曲角度为180度，按d=3a，弯轴直径分别为78mm和90mm。弯曲完成后试样外弧面、内弧面均没有出现裂纹等缺陷，弯曲性能良好。

表3为两块钢板-20℃低温冲击试验结果。26mm厚度钢板编号#1，30mm厚度钢板编号#2，每种厚度钢板取3个样品分别进行三次试验，所得冲击功结果如表3所示。依据GB 713-2008标准要求0℃冲击功≥34J，由表3可知两块钢板冲击功结果都符合要求。

表3 低温冲击试验结果Table 3 Results of low temperature impact test

4 分析与讨论

对液氨罐测厚异常钢板进行超声波检测，从图4中可以看出缺陷处发射波（F）与底波（B）之比约为2：5。两个不同距离的大平底面回波声压见式（1），钢和空气界面的反射和透射率见式（2）。

在钢铁与空气界面，钢铁材料的声阻抗Z1≫空气的声阻抗Z2，根据资料［11］Z1=4.5×106g/cm2·s;Z2= 0.00004×106g/cm2·s：

根据式（2）计算结果，当超声波从钢一侧到达裂纹表面时（等同于钢和空气界面），超声波基本被完全反射，从而引起探伤不合格，这与图4中缺陷反射波与底波之比约为2：5不相符，可以排除钢种出现分层和裂纹等危害性缺陷。当超声波遇到与钢（铁素体基体）紧密接触的夹杂或珠光体带时，在“钢-夹杂”界面上，由于夹杂物的声阻抗远大于空气或真空，所以与“钢-空气”、“钢-真空”界面相比，超声波在遇到“钢-夹杂”界面时，超声波反射率低于“钢-空气”和“钢-真空”界面，根据超声波反射波形可推测出，此缺陷反射波主要由珠光体带状组织或点状夹杂引起。

热轧态钢板出现带状组织的形成机理［12］：主要是由于连铸坯在凝固浇注过程中枝晶组织带来的SiMn等合金元素的偏析造成的。一般认为Mn偏析的影响因素更大，组织带状分布的根源为成分带状分布。由于Mn是奥氏体稳定性元素，使得贫Mn带和富Mn带的Ar3温度不同，Mn的偏析会引起奥氏体相变过程中C的偏移，C由贫Mn带向富Mn带扩散。因此成分带状分布的结果造成了相变后钢板中铁素体珠光体的带状组织。带状组织可通过以下几个措施得以控制：（1）连铸坯枝晶偏析的控制，可以采用钢水过热度、电磁搅拌和控制二冷水等措施减少柱状晶宽度，增加等轴晶宽度;（2）确定合理的加热制度;（3）TMCP技术的控制，通过控轧控冷技术在奥氏体未再结晶区轧制，未再结晶区的奥氏体畸变能诱发奥氏体向铁素体转变，这将减少贫Mn带与富Mn带先共析铁素体析出的时间，从而减少带状组织。根据带状组织形成的机理可以采用正火或退火等热处理工艺加以消除。

5 结 论

1.Q345R试验钢理化力学性能符合标准要求，金相组织为典型的铁素体+珠光体带状组织（评为3级），内部未见分层、裂纹等危害性缺陷;Q345R试验钢板的3级带状组织主要由生产工艺不当造成的，可以通过合适的热处理工艺来消除;

2.Q345R低合金钢最低使用温度必须大于-20℃。而液氨储罐中介质为液氨，其设计使用温度为-19～50℃，已接近该材料的使用温度下限;针对液氨罐出现3级带状组织的钢板，建议选用性能更优良的材料或通过热处理手段主动消除钢板中的3级带状组织。

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Analysis of Abnormality during Ultrasonic Testing of Liquid Ammonia pot in the 600MW Supercritical power plant

ZHU Hai-bao1，WANG Xiao-lin2，GAO Guo-hong1，ZHUO Ren-chun，YAN Zheng1
（1.Huadian Electric power Research Institute，Hangzhou 310030，China; 2.Guizhou Huadian Tongzi Thermal power plant，Zunyi 563200，China）

While measuring cylinder’s thickness of the liquid ammonia tank（Q345R steel）in the 600MW supercritical power plant by ultrasonic measurement，we found that the displayed value is only half of the actual thickness.According to the test results from ultrasonic testing，chemical analysis，metallurgical analysis，tensile，bending，low temperature impact testing，it has been found that the microstructure of the steel core is the third level banded ferrite and pearlite，with the mechanical properties conforming to standards. It is concluded that improper production process has mainly led to the formation of the third level banded ferrite and pearlite structure.

Q345R;ultrasonic testing;liquid ammonia tank;mechanical properties

TG115.2

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.035

1673-2812（2016）03-0504-04

2015-04-29;

2015-06-30

朱海宝（1983-），男，硕士，工程师，主要从事火电厂新金属材料性能、失效、无损检测研究。E-mail：zhuhbao@163.com。