某調(diào)峰機組水冷壁管泄漏原因分析與預(yù)防

楊佩旭，周云飛，趙朝友，張 麗

（甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司,甘肅 蘭州 730070）

1 引言

工業(yè)鍋爐水冷壁管是鍋爐關(guān)鍵部位之一，長期承受高溫、高壓及爐汽、水蒸汽的腐蝕與沖刷，工作環(huán)境惡劣。水冷壁管的爆炸開裂往往造成巨大的人聲傷亡和財產(chǎn)損失[1]，在機組運行中很難發(fā)現(xiàn)，即使在檢修中也不能完全檢查、處理，暴露的原因和發(fā)展具有隱蔽性、滯后性和突發(fā)性。常見的鍋爐受熱面管爆管有短時過熱、長時過熱、磨損、氫脆、晶間腐蝕、高溫硫腐蝕、原始缺陷等[2]。

2 背景資料

某電廠2號鍋爐為660 MW超臨界調(diào)峰機組，由哈爾濱鍋爐廠設(shè)計制造。3月份啟停調(diào)峰2次，最近一次啟停距水冷壁管泄漏11天。據(jù)電廠提供的資料，水冷壁上集箱（爐側(cè)）原設(shè)計集箱中心線距頂棚700 mm，接管座節(jié)距57.5 mm，集箱原長度17 m，運行至4萬h，因集箱受熱面接管座缺陷頻發(fā)（膨脹應(yīng)力和運行方式變化），于2018年由原鍋爐廠進行了改造，將原長17 m集箱改為2個長8.2 m的分段集箱。此次泄漏管為水冷壁上集箱（左側(cè)）接管爐后第1根受熱面管，泄漏點位于爐頂棚上方35 mm處頂棚保溫澆注料內(nèi)，裂紋沿管子環(huán)向發(fā)展，裂紋正對鍋爐爐后位置，處于密封鰭片正上方，裂紋長約19 mm，開口最寬2.5 mm。水冷壁管材質(zhì)15CrMoG，規(guī)格為Φ31.8 mm×6.2 mm，設(shè)計溫度＜460 ℃，壓力＜30 Mpa。

3 取樣位置及編號

對送檢管段取樣進行試驗分析：#1試樣位于密封板下部，化學(xué)成分分析、硬度試驗、金相組織分析；#2試樣位于密封板上方鰭片端頭處管子開裂部位，進行壁厚測量，外壁裂紋環(huán)向尖端（標為#2-1）、裂紋徑向延伸尖端（標為#2-2）、鰭片與管壁焊接區(qū)域（標為#2-3）金相組織分析；#3試樣取樣位置在#2試樣上方焊口部位，檢測面緊鄰#2試樣，進行橫斷面硬度試驗（圖1）。

圖1 取樣位置及編號

4 試驗與內(nèi)容分析

4.1 宏觀檢查

宏觀檢查#見，管子無明顯變形、脹粗和減薄，表面附著有灰白色灰渣，但無明顯腐蝕斑痕和氧化皮，裂口附近管壁因受泄漏蒸氣的吹掃較為光滑。泄漏源為一由外而內(nèi)擴展型開口裂紋，裂紋沿管外壁呈蜿蜒狀環(huán)向發(fā)展。泄漏處裂紋起裂源處于鰭片端頭焊縫熔合線處，此處鰭片端面與泄漏管呈90°，結(jié)構(gòu)不連續(xù)。外壁測量裂紋長約18.87 mm，開口最寬2.34 mm（圖2）。

圖2 試樣宏觀形貌

4.2 硬度檢測

對#1、#3試樣靠近密封板側(cè)環(huán)形橫截面進行布氏硬度試驗，試驗結(jié)果如表1所示，由硬度結(jié)果#知，#1試樣環(huán)形面硬度滿足DL/T 438—2016對15CrMoG硬度的要求，#3試樣環(huán)形面背火側(cè)、泄漏源側(cè)、泄漏源對側(cè)硬度均高于DL/T 438—2016對15CrMoG硬度的要求，檢測結(jié)果見表1。

表1 硬度檢測結(jié)果

4.3 力學(xué)性能試驗

對該水冷壁管進行拉伸試驗，取樣部位為該管泄漏點下方直管段，實驗結(jié)果滿足《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 5310—2017）對15CrMoG材質(zhì)的要求，試驗結(jié)果見表2。

表2 力學(xué)性能試驗結(jié)果

4.4 化學(xué)成分分析

對#1試樣管外壁去除表面層后采用ARL4460臺式光譜儀進行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果見表3，由分析結(jié)果#知，#3試樣化學(xué)成分中各元素含量滿足GB/T 5310—2017對15CrMoG材質(zhì)的要求。

表3 化學(xué)成分分析結(jié)果（wt%）

4.5 微觀組織分析

4.5.1 #1試樣微觀組織

對#1試樣向火側(cè)截取金相試樣，取樣位置如圖3（a）所示，顯微組織如圖3（c）所示。

圖3 試樣取樣位置及#1試樣微觀組織

#1試樣向火側(cè)組織為鐵素體和珠光體，珠光體球化2-3級，組織基本正常。

4.5.2 #2試樣環(huán)向微觀組織

對#2試樣裂紋環(huán)向取樣（拋磨環(huán)向截面），試樣編號為#2-1，取樣位置如圖3（b）所示，顯微組織及裂紋形貌如圖4所示。

圖4 #2試樣微觀組織

#2-1試樣金相組織為鐵素體+珠光體，但珠光體含量明顯少于#1試樣，存在一定程度的表面脫碳現(xiàn)象。環(huán)向向火側(cè)裂紋如圖4（a）所示。裂紋主體為穿晶擴展，主裂紋尖端為鈍角，在其兩端角處分別萌生出兩條延伸分枝裂紋，分別向兩端傾向擴展。如圖4（b）主裂紋附近存在2條平行主裂紋的微觀裂紋，其內(nèi)部存在腐蝕氧化產(chǎn)物。如圖4（c）所示，在試樣靠近表面處及裂紋尖端附近鐵素體晶粒呈方向性拉伸變形，存在各向異性。

4.5.3 #2試樣徑向微觀組織

對#2試樣裂紋徑向取樣（拋磨徑向截面），試樣編號為#2-2，取樣位置如圖3（b）所示，顯微組織如圖5所示。

由圖5（a）、圖5（b）#見主裂紋大部分區(qū)域為穿晶裂紋，其端部較鈍，周圍組織晶粒變形嚴重。在裂紋端部又萌生出沿晶擴展并帶有分枝的次生裂紋?；w金相組織為鐵素體+珠光體，組織欠均勻。珠光體球化評級為2-3級，晶界碳化物數(shù)量增加，裂紋端部區(qū)域晶粒拉伸變形嚴重，說明開裂前存在垂直于裂紋的較大拉應(yīng)力。

4.5.4 #2試樣鰭片焊接區(qū)域微觀組織

對#2試樣管壁與鰭片焊接區(qū)域進行金相取樣，試樣編號為#2-3，取樣位置如圖3（b）所示，顯微組織如圖6所示。

圖6 #2試樣鰭片焊接區(qū)域微觀組織

#2-3試樣母材為鐵素體加珠光體，珠光體球化評級為2級，晶界碳化物數(shù)量增加，熱影響區(qū)組織為貝氏體。焊縫組織為貝氏體，有少量魏氏組織。圖6（c）所示熔合線附近金相組織為貝氏體，鰭片焊縫與管壁連接應(yīng)力集中部位存在局部未熔合，并沿熔合線向內(nèi)部開裂延伸。

4.6 能譜及微觀斷口形貌分析

對#2-1環(huán)向向火側(cè)試樣進行掃描電鏡觀察及能譜分析，分支裂紋及平行主裂紋的微觀裂紋處進行能譜點掃描，結(jié)果如圖7所示。

圖7 能譜分析

結(jié)果顯示與主裂紋平行的兩條裂紋內(nèi)容物成分主要為Fe2O3及Fe3O4，證明裂紋開裂時間較長，在高溫及空氣環(huán)境下裂紋內(nèi)部發(fā)生氧化，未見其他#能引起腐蝕開裂的元素。

對泄漏源處斷裂面進行斷口微觀形貌分析（圖8）。

圖8 斷口微觀形貌

#以看出整個斷面均被泄漏蒸汽吹損形成溝槽，表面均勻覆蓋一氧化物層和污染物，雖然經(jīng)超聲波清洗后仍未能去除，原始斷裂面組織形貌已無法觀察。

5 綜合分析

母材化學(xué)成分分析、拉伸試驗結(jié)果滿足標準要求，但密封板上部裂紋源附近管子截面硬度值高于標準約25 HB，且硬度值不均勻，考慮此段管道存在短期受熱并快速冷卻或冷變形較大的#能性。裂紋起源于鰭片末端焊縫邊緣，裂紋開口較寬，開口角度大，說明引起開裂以彎曲應(yīng)力為主。結(jié)合裂紋所處的位置分析，裂紋產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)突變應(yīng)力集中部位，由管壁外側(cè)向內(nèi)壁方向擴展。裂紋初始段為穿晶擴展，與低周疲勞擴展特征一致，且裂紋萌生處及裂紋端部晶粒嚴重拉長變形，說明開裂前管子外壁承受超過材料屈服極限較大拉應(yīng)力。

6 結(jié)論及意見

造成裂紋產(chǎn)生的原因是鰭片焊縫邊緣過高的局部拉應(yīng)力，使得金屬表面夾雜物或微觀缺陷處萌生疲勞源，在機組啟停、溫度波動及水冷壁聯(lián)箱與爐墻的膨脹不協(xié)調(diào)時形成的交變應(yīng)力作用下，裂紋由外壁向內(nèi)壁疲勞擴展，最終導(dǎo)致裂紋貫穿管壁引起泄漏。

（1）建議擴大對聯(lián)箱管座及相鄰管排與鰭片連接部位無損檢測排查，防止同類失效現(xiàn)象發(fā)生。

（2）建議對支吊架進行排查，防止支吊架失效或存在不合理布置的情況。

（3）監(jiān)測啟停過程中水冷壁聯(lián)箱與爐墻的膨脹量是否符合相關(guān)設(shè)計要求，防止兩者之間膨脹量出現(xiàn)過大差異。

（4）加強對鍋爐燃燒調(diào)整、合理配風(fēng)，防止火焰偏斜、貼壁，燃燒器的投停注意對稱、均勻，減少熱偏差，防止受熱面超溫[3]。