王宏偉

（山西京能呂臨發(fā)電有限公司，山西呂梁 033200）

0 引言

超臨界循環(huán)流化床鍋爐同時(shí)兼?zhèn)溲h(huán)流化床鍋爐清潔燃燒和超臨界鍋爐高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景，是潔凈煤發(fā)電技術(shù)的合理選擇。隨著循環(huán)流化床鍋爐的升級換代，超臨界循環(huán)流化床鍋爐在各地陸續(xù)開工建設(shè)并投入運(yùn)行。目前，350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐已投運(yùn)20余臺，在機(jī)組調(diào)試及運(yùn)行過程中，新的問題陸續(xù)暴露出來。由于超臨界鍋爐水冷壁管管徑小，鰭片較窄，加之現(xiàn)場作業(yè)空間限制，容易造成焊接質(zhì)量問題，同時(shí)鍋爐在調(diào)試期間機(jī)組啟停頻繁，快速、大幅值的負(fù)荷變化造成的應(yīng)力會加快焊接缺陷的劣化，導(dǎo)致鍋爐發(fā)生爆管。

1 鍋爐水冷壁管泄漏情況

某電廠1號鍋爐為東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司自主開發(fā)并生產(chǎn)的型號為DG-1186/25.31-Π1型的超臨界參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐采用單布風(fēng)板、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、M型布置、循環(huán)流化床燃燒方式，采用高溫冷卻式旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，鍋爐整體支吊在鍋爐鋼架上。

1號機(jī)組于2019年7月20日點(diǎn)火開始整套啟動，7月27日并網(wǎng)成功，進(jìn)行機(jī)組涉網(wǎng)試驗(yàn)。9月15日，1號機(jī)組正常運(yùn)行，1號機(jī)組負(fù)荷199 MW，爐膛負(fù)壓-38 Pa，運(yùn)行過程中巡檢員發(fā)現(xiàn)前墻3號給煤機(jī)落煤口10.3 m附近保溫滴水，聯(lián)系鍋爐專業(yè)和施工單位人員就地檢查后初步確認(rèn)為前墻水冷壁管泄漏。

拆保溫后發(fā)現(xiàn)標(biāo)高約10.3 m處前側(cè)水冷壁（3號給煤口下方）管子之間鰭片吹損，蒸汽從鰭片的吹損缺口處外泄，側(cè)面觀察鰭片缺口處可看到燒紅的爐墻澆筑料，判斷泄漏點(diǎn)位于爐膛布風(fēng)板上方，該區(qū)域?yàn)槿紵芟鄥^(qū)，爐墻向火面覆蓋有澆筑料。

停爐后檢查爐墻外側(cè)水冷壁管無泄漏，僅第443根管子與第444根管子之間鰭片吹損；清除爐墻向火面澆筑料后發(fā)現(xiàn)第443、444、445根管子現(xiàn)場有多處吹損的泄漏小口，其中最大泄漏口10 mm×0.3 mm，鰭片上最大吹損口25 mm×10 mm。管道材質(zhì)15CrMoG，規(guī)格d 31.8 mm×6.5 mm，鰭片材質(zhì)15CrMo，規(guī)格6.4 mm×18 mm。泄漏處附近有現(xiàn)場安裝焊口，焊口處可見明顯的吹損減薄和泄漏痕跡。

2 水冷壁管樣試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

2.1 送檢管樣詳情

對泄漏的水冷壁管進(jìn)行取樣送檢，送檢的水冷壁共計(jì)3根，其詳細(xì)信息如表1所示。

表1 水冷壁管樣詳細(xì)信息

2.2 宏觀形貌觀察

對泄漏的水冷壁管進(jìn)行宏觀形貌觀察，檢查其是否存在原始缺陷、磨損、機(jī)械損傷、氧化、腐蝕及焊接缺陷等痕跡，鋼管有無脹粗及減薄等特征。取樣的第443、444和445根水冷壁管的向火側(cè)均存在多處漏點(diǎn)，各鋼管表面吹損嚴(yán)重。其中第443根管上存在2處漏點(diǎn)，第444根管上存在6處漏點(diǎn)，第445根管上存在2處漏點(diǎn)，各鋼管向火側(cè)表面均焊接有抓釘。

經(jīng)內(nèi)外壁觀察分析，第444根鋼管上的漏點(diǎn)1位于鋼管對接焊縫上，裂口細(xì)長，與焊縫軸線垂直呈橫向分布，且該漏點(diǎn)周圍存在明顯的由泄漏高溫高壓蒸汽吹損周邊區(qū)域形成的放射狀溝槽，其他2根鋼管上的各漏點(diǎn)均處于漏點(diǎn)1泄漏介質(zhì)吹損溝槽所對應(yīng)的路徑上。因此，可以初步判定初始漏點(diǎn)為第444根鋼管對接焊縫上的漏點(diǎn)1，該漏點(diǎn)泄漏的高溫高壓蒸汽伴隨煙氣的作用將其左右相鄰的第443根和第445根鋼管吹損至泄漏。此外，3根鋼管均未見明顯脹粗、腐蝕損傷及嚴(yán)重氧化皮等缺陷。

2.3 化學(xué)分析

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法》要求，利用SPECTROMAXx型臺式直讀光譜儀，對泄漏的水冷壁管及其焊縫取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，以確定管材及焊縫的化學(xué)成分是否符合設(shè)計(jì)材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

對第444根水冷壁管母材及焊縫分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果顯示，水冷壁管母材及焊縫熔敷金屬的各元素含量均符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.4 顯微組織檢測

按照DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》要求，利用Axio Observer.Alm型金相顯微鏡，對泄漏的水冷壁取樣進(jìn)行顯微組織檢測，確定其金相組織是否正常。

對3根水冷壁樣管自漏點(diǎn)部位分別取樣進(jìn)行顯微組織分析。第444根水冷壁管，其漏點(diǎn)位于焊縫上，漏點(diǎn)處存在貫穿內(nèi)外壁的主裂紋，主裂紋邊緣及附近存在較多沿晶界分布的細(xì)小微裂紋，裂紋內(nèi)部有一定氧化現(xiàn)象。焊縫組織為貝氏體+少量鐵素體，開裂部位及正常部位的晶粒均未發(fā)生拉長變形。母材的金相組織為等軸狀均勻分布的鐵素體+珠光體，未見明顯球化。

對第443根水冷壁管漏點(diǎn)處取樣進(jìn)行顯微組織檢測，其漏點(diǎn)位于母材上，爆口尖端金相組織也為等軸狀均勻分布的鐵素體+珠光體，未見明顯拉長畸變，珠光體未見明顯球化。

對第445根水冷壁管漏點(diǎn)處取樣進(jìn)行顯微組織檢測，其上2處漏點(diǎn)分別位于母材和焊縫上。母材上的漏點(diǎn)其尖端金相組織也為等軸狀均勻分布的鐵素體+珠光體，未見明顯拉長畸變，珠光體未見明顯球化。焊縫上漏點(diǎn)其尖端的組織為貝氏體+索氏體+少量鐵素體，晶粒未見拉長畸變，焊縫中也未見沿晶或穿晶裂紋。

2.5 硬度試驗(yàn)

按照GB/T 23 1.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》要求，利用THBC-3000DA型圖像處理式布氏硬度計(jì)，對水冷壁管母材及焊縫分別進(jìn)行硬度測試，以確定管材及焊縫的硬度是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

對泄漏的第444根水冷壁管母材及焊縫分別取樣進(jìn)行硬度測試，檢測結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，水冷壁15CrMoG管材的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但焊縫的硬度高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 樣管及其焊縫的硬度測試結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從宏觀形貌分析，第444根鋼管上的漏點(diǎn)1位于鋼管對接焊縫上，裂口細(xì)長，與焊縫軸線垂直呈橫向分布，該漏點(diǎn)為初始漏點(diǎn)。該漏點(diǎn)泄漏的高溫高壓蒸汽伴隨煙氣的作用將其左右相鄰的第443根和第445根鋼管吹損至泄漏。

從化學(xué)成分分析，水冷壁管母材和焊縫熔敷金屬的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，排除管材和焊材錯用材質(zhì)的情況。

從金相組織分析，第444根水冷壁管焊縫上的漏點(diǎn)處貫穿性的主裂紋局部呈沿晶狀分布，主裂紋邊緣及附近存在較多沿晶界分布的細(xì)小微裂紋，封閉裂紋內(nèi)部有一定氧化的現(xiàn)象，具有較為典型的結(jié)晶熱裂紋特征。

從力學(xué)性能分析，水冷壁管母材的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫的硬度偏高，在一定程度上增加了焊縫的脆性，導(dǎo)致管道抗疲勞性能變差，機(jī)組在調(diào)試運(yùn)行過程中多次負(fù)荷變化導(dǎo)致的循環(huán)載荷作用進(jìn)一步加劇了裂紋擴(kuò)展的速度和程度。

從鍋爐運(yùn)行方式分析，由于循環(huán)流化床鍋爐主要依靠流化態(tài)的床料及燃料混合物燃燒加熱介質(zhì)，爐膛內(nèi)床料蓄熱量大，在正常燃燒期間，床溫為870℃左右，個(gè)別情況下床溫可達(dá)970℃，當(dāng)發(fā)生鍋爐跳閘時(shí)，一次風(fēng)機(jī)切除，床料無法再維持流化狀態(tài)，全部聚集于氣化風(fēng)板之上，失去一次風(fēng)冷卻后，大量的熱量會傳導(dǎo)至部分板上0.8～1.0 m的澆注料及其下面的水冷壁之上，造成鍋爐水冷壁管受熱變化較大，膨脹及收縮產(chǎn)生較大應(yīng)力，此時(shí)若水冷壁管存在結(jié)晶熱裂紋等缺陷，就會加快鍋爐水冷壁管的劣化[1]。1號鍋爐從首次點(diǎn)火整套啟動，至本次爆管，共發(fā)生13次鍋爐跳閘，同時(shí)伴隨著機(jī)組負(fù)荷的較大變化，由此產(chǎn)生的應(yīng)力對水冷壁管已有裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生了極大的促進(jìn)作用，最終導(dǎo)致爆管的發(fā)生[2]。

從受力角度分析，水冷壁管在運(yùn)行過程中既要承受內(nèi)部高溫高壓介質(zhì)形成的一次應(yīng)力，還要承受鍋爐啟停及負(fù)荷變化過程中管系膨脹—收縮產(chǎn)生的二次應(yīng)力。在上述應(yīng)力疊加作用下，焊縫內(nèi)部的結(jié)晶微裂紋擴(kuò)展至貫穿焊縫而引發(fā)泄漏。

4 防范措施

首先，應(yīng)認(rèn)真排查其他同類型的焊縫是否存在焊接熱裂紋的情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。其次，結(jié)晶裂紋往往尺寸微小，現(xiàn)場無損檢測一般難以有效檢出，故應(yīng)嚴(yán)格控制各級受熱面的焊接工藝和焊接操作，保證受熱面的焊接質(zhì)量。再次，應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行方式，避免機(jī)組的頻繁啟停及快速、大幅值的負(fù)荷變化工況，以免再次發(fā)生類似泄漏事故。