超超臨界鍋爐水冷壁泄漏原因分析

李生文，林 琳，吳易洋

（西安熱工研究院有限公司，陜西西安710054）

某電廠4號鍋爐是東方鍋爐（集團）股份有限公司與日本巴布科克—日立鍋爐有限公司合作設(shè)計、聯(lián)合制造的型號DG3000/26.25—Ⅱ1型1036MW超超臨界本生直流鍋爐。2016年9月，4號鍋爐水冷壁A側(cè)往B側(cè)數(shù)第23根凝渣管對應(yīng)的用于連接凝渣管和螺旋水冷壁管的過渡管發(fā)生泄漏，4號機組于2012年9月投產(chǎn)至水冷壁過渡管泄漏累計運行約2.75萬小時，啟停11次。

水冷壁管樣材質(zhì)為15CrMoG，為掌握鍋爐受熱面水冷壁材質(zhì)狀態(tài)，查找水冷壁泄漏原因，本文對泄漏管樣進行了取樣試驗與分析，并提出改進及預(yù)防措施。

1 試驗結(jié)果與分析

1.1 宏觀形貌觀察

管樣宏觀形貌如圖1（a）所示。過渡管材質(zhì)為SA-182 F22，過渡管下方的水冷壁管樣材質(zhì)為15CrMoG，規(guī)格為Φ38.1 mm×7.5 mm。距過渡管與水冷壁管焊縫上方約10 mm處過渡管的向火面存在沿環(huán)向擴展的裂口，裂口在外壁環(huán)向貫穿向火面，且已貫穿整個壁厚，裂口附近已被泄漏的水汽吹損。沿縱向?qū)⒐軜悠书_，過渡管的內(nèi)壁坡口加工處存在“V”字型凹槽，裂紋從凹槽處垂直于壁厚方向開裂泄漏，兩側(cè)斷口未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，如圖1（b）～圖1（e）所示。

1.2 金相分析

對管樣各個部位進行金相組織觀察，如圖2所示，結(jié)果如下：

（1）裂紋產(chǎn)生于內(nèi)壁坡口加工的凹槽處，由內(nèi)壁向外壁方向擴展，近內(nèi)壁的裂紋較為筆直，無分叉，裂紋尖端處存在分叉，裂紋內(nèi)存在氧化物；

（2）過渡管的母材顯微組織為貝氏體+鐵素體，球化1～2級，晶粒度為4～5級；過渡管熱影響區(qū)的顯微組織為貝氏體+鐵素體；水冷壁管母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，球化2級，晶粒度為7～8級；水冷壁管熱影響區(qū)的顯微組織為珠光體+鐵素體；焊縫的顯微組織為貝氏體。

1.3 掃描電鏡分析

1.3.1 金屬基體成分分析

在FEI Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對管樣進行能譜成分分析，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：管樣各部位的材質(zhì)與設(shè)計材料相符，過渡管材質(zhì)為SA-182 F22，過渡管下方的水冷壁管樣材質(zhì)為15CrMoG，不存在錯用材料問題。

圖1 管樣各部位宏觀形貌

圖2 管樣各部位顯微組織形貌

表1 管樣能譜成分分析結(jié)果 %

1.3.2 能譜分析和斷口形貌分析

使用FEI Quanta 400型掃描電鏡對裂口進行SEM形貌觀察，未清洗前的斷口存在較厚的氧化皮，使用OXFORD INCA Energy X射線能譜儀對斷口表面存在的氧化物進行成分分析。管樣斷口表面O、Fe含量較高，還有Si、Ca、K、Mg等。使用弱酸對斷口表面進行清洗，清洗后的斷口微觀形貌如圖3所示。由于介質(zhì)泄漏已將大部分裂口吹損，部分未吹損的部位斷口顯示為脆性的穿晶斷裂[1-2]。

圖3 管樣斷口形貌

在FEI Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對試樣裂紋內(nèi)的氧化物進行半定量的能譜成分分析，結(jié)果如表2所示，微區(qū)分析位置如圖4所示。結(jié)果表明：裂紋中的氧化物主要成分為O、Fe，還有Si、Cr、Mo、Mn、Mg、Ca等，未發(fā)現(xiàn)S、Cl等腐蝕性元素。

1.4 硬度試驗

依據(jù)標準GB/T 4340.1—2009[3]在HVS-50型維氏硬度試驗機上對管樣各部位進行維氏硬度試驗，荷載為98 N，保荷10 s。試驗結(jié)果如表3所列。結(jié)果表明：試樣各部位的硬度值均符合標準要求。

表2 裂紋內(nèi)氧化物能譜成分結(jié)果 %

圖4 裂紋內(nèi)氧化物成分分析能譜位置

表3 硬度試驗結(jié)果

2 原因分析

以上分析可知：水冷壁過渡管裂紋產(chǎn)生于內(nèi)壁坡口加工的“V”字型凹槽處，并沿垂直于壁厚方向擴展至開裂泄漏。水冷壁過渡管的壁厚與下側(cè)水冷壁管的壁厚不同，在焊接時需要對過渡管的坡口處進行加工，DL/T 869—2012[4]對內(nèi)壁尺寸不相等而外壁平齊時厚度差的處理方法如圖5所示，而過渡管坡口在實際加工中出現(xiàn)了凹槽，不符合DL/T 869—2012標準的要求，從而導致在凹槽處存在較大的應(yīng)力集中[5-6]，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)壓應(yīng)力的作用下，裂紋從凹槽處萌生，在機組啟停、運行和調(diào)峰過程中逐漸由內(nèi)壁向外壁擴展直至泄漏。

圖5 DL/T 869-2012中內(nèi)壁尺寸不相等而外壁平齊時厚度差處理方法

3 結(jié)論及建議

（1）導致水冷壁過渡管發(fā)生泄漏的原因是過渡管的內(nèi)壁坡口加工處存在凹槽，凹槽處應(yīng)力集中較大，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)壓應(yīng)力的作用下，裂紋從凹槽處萌生，在機組啟停、運行和調(diào)峰過程中逐漸由內(nèi)壁向外壁擴展直至泄漏。

（2）加強焊接過程中的質(zhì)量監(jiān)督，嚴格按照標準要求對管樣坡口進行加工，避免坡口處存在凹槽[7]，導致應(yīng)力集中。