鍋爐水冷壁爆管原因分析

賈少威

(大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

0 引言

某電廠#1鍋爐為采用法國STEIN公司技術(shù)，由西班牙B＆W公司生產(chǎn)的W型火焰、亞臨界、中間再熱、控制循環(huán)汽包爐，1998年11月投入商業(yè)運(yùn)行。2015年2月23日，該鍋爐因前墻水冷壁發(fā)生爆管而停爐，爆管位置為前墻水冷壁爐右數(shù)第141根管向火側(cè)，標(biāo)高約19.0 m。爆管處水冷壁為光管，材質(zhì)為TU48-C(相當(dāng)于國內(nèi)20MnG)，規(guī)格為 ? 38 mm×5.60 mm。爆管上方水冷壁為內(nèi)螺紋管，材質(zhì)為TU15CD2-05(相當(dāng)于國內(nèi)12CrMoG)規(guī)格為? 38 mm ×4.77 mm。

1 現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，前墻水冷壁爐右數(shù)第141根管標(biāo)高約19.0 m處有一爆口(如圖1所示)，同一根管前墻冷灰斗水冷壁標(biāo)高約17.5 m彎頭下方500 mm有一爆口(如圖2所示);前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第106根管標(biāo)高約17.5 m彎頭下方300 mm處有一爆口(如圖3所示);前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第122根管標(biāo)高約17.5 m彎頭下方400 mm處有一爆口(如圖4所示);其他爆口均為吹損所致。

前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第106～141根管范圍內(nèi)，距離標(biāo)高17.5 m的彎頭約600 mm的范圍內(nèi)多處管子存在宏觀橫向裂紋，橫裂區(qū)域如圖5所示，典型裂紋形貌如圖6所示。

圖1 爆口宏觀形貌

圖2 泄漏口1宏觀形貌

圖3 泄漏口2宏觀形貌

圖4 泄漏口3宏觀形貌

圖1所示爆口位于TU15CD2-05內(nèi)螺紋管(? 38 mm×4.77 mm)和TU48-C光管(? 38 mm ×5.60 mm)焊縫下方的TU48-C向火側(cè)，開口很大，呈喇叭狀，邊緣明顯減薄，最薄位置厚度約2 mm，符合短期過熱特征;爆口最大處外壁表面存在沿管子長度方向的“樹皮紋”，又符合長期過熱特征。爆口上方20 cm處直徑39.0 cm，下方20 cm處直徑39.8 cm。圖2～4所示的爆口均位于TU48-C光管(? 38 mm×5.60 mm)向火側(cè)，橫向破開且張口較小，呈縫隙狀，爆口附近管子未見明顯變形和減薄，附近管子表面覆蓋有較明顯的氧化皮。

圖5 前墻冷灰斗水冷壁橫裂區(qū)域

圖6 宏觀裂紋形貌

2 實(shí)驗(yàn)室檢查情況

2.1 宏觀檢查

前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第106，122，141根管及第118～120管子向火側(cè)表面均有很明顯的砸傷痕跡，且有多處補(bǔ)焊痕跡。打磨前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第120根、第122根、第141根表面后分別進(jìn)行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)向火側(cè)表面均存在密集的、相互平行的橫向裂紋，裂紋長短不一，典型缺陷如圖7所示，背火側(cè)沒有裂紋缺陷。

前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第106，122，141根管的破口特征類似，對第122根管破口沿圖4中虛線所示位置剖開，發(fā)現(xiàn)向火側(cè)存在多條垂直于表面的裂紋，裂紋開口較大，裂紋平直，頭部稍尖，如圖8所示。

2.2 光譜分析

對泄漏的前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第106，122，141根管進(jìn)行光譜分析(設(shè)計(jì)材質(zhì)為TU48-C)，成分符合設(shè)計(jì)要求，見表 1。檢測依據(jù):NF A49-213-1990《鋼管高溫用非合金鋼和鉬合金鋼與鉬鉻合金鋼制無縫管帶標(biāo)準(zhǔn)公差的尺寸交貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中TU48-C要求w(Mn)=0.60% ～1.30%，w(Cu)≤0.25%。

圖7 前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第120根試樣向火側(cè)

表1 水冷壁管光譜分析結(jié)果 %

2.3 金相檢驗(yàn)

圖9 圖1所示爆口組織形貌

對圖1所示爆口沿橫截面取樣進(jìn)行微觀檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爆口及附近組織為完全相變后組織，爆口有大量蠕變孔洞，如圖9所示。對圖2所示爆口進(jìn)行微觀檢驗(yàn)，其組織為鐵素體+珠光體+碳化物，珠光體有一定的球化，爆口附近組織為鐵素體+珠光體，如圖10所示。對表面裂紋處進(jìn)行金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明:裂紋平直，頭部略尖，裂紋內(nèi)部充滿灰色的氧化或腐蝕產(chǎn)物，裂紋均穿晶擴(kuò)展，如圖11所示。

圖10 圖2所示爆口組織形貌

圖11 圖7所示外壁裂紋微觀形貌

3 原因分析及建議

(1)前墻水冷壁爐右數(shù)第141根管標(biāo)高約19.0 m處的過熱爆口是造成此次停爐的直接原因，從爆口特征來看，具有長期過熱和短期過熱的特征。引起過熱的原因?yàn)橥軜?biāo)高17.5 m彎頭下方500 mm處存在爆口，爆口較小時(shí)，管內(nèi)向上的介質(zhì)流速減緩，爆口上方熱負(fù)荷較高位置產(chǎn)生長期過熱，隨著爆口的擴(kuò)大，管內(nèi)向上的介質(zhì)大量減少，從而造成了標(biāo)高19.0 m的同根管子短期過熱爆管。

(2)根據(jù)前墻水冷壁爐右數(shù)第106，122，141根管子的爆口特征，爆口附近向火側(cè)密集的、相互平行的橫向裂紋以及裂紋的微觀特征，可判定裂紋為熱疲勞裂紋，爆口是由熱疲勞裂紋發(fā)展而產(chǎn)生的。熱疲勞指材料在加熱、冷卻的循環(huán)作用下，由于交變的熱應(yīng)力引起的破壞［1］。從現(xiàn)場檢查的情況來看，冷灰斗水冷壁爐中心靠右區(qū)域距離前墻約600 mm范圍內(nèi)的管子多處出現(xiàn)宏觀的橫向裂紋，該區(qū)域內(nèi)管子上方正對燃燒器，管子表面因掉焦砸傷情況突出，熱疲勞裂紋首先從這些損傷的薄弱部位產(chǎn)生并發(fā)展(如圖6所示)。宏觀裂紋的區(qū)域特征表明，該區(qū)域在運(yùn)行過程中存在明顯的溫度波動(如火焰中心偏移等)，且形成這種裂紋的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)一般較少［2］。檢修人員對后墻水冷壁同樣位置進(jìn)行了宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)圖6所示的宏觀裂紋，目前無法排除是否也存在宏觀難以發(fā)現(xiàn)的熱疲勞裂紋，建議利用檢修機(jī)會進(jìn)行相應(yīng)的檢查。

建議盡快查找引起水冷壁管熱疲勞的原因并對存在熱疲勞裂紋的水冷壁管應(yīng)進(jìn)行更換。

［1］鄭修麟.材料疲勞理論與工程應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2013.

［2］車丹.W型火焰鍋爐燃燒特性的研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2006.