超超臨界機(jī)組水冷壁管彎曲面失效分析

吳優(yōu)福，侯召堂

（1.神華（福建）能源有限公司，福建 福州 350004；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

超超臨界機(jī)組水冷壁管彎曲面失效分析

吳優(yōu)福1，侯召堂2

（1.神華（福建）能源有限公司，福建 福州 350004；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

采用化學(xué)成分分析、硬度檢測、金相觀察、掃描電鏡斷口分析、斷口表面腐蝕產(chǎn)物的能譜分析以及有限元數(shù)值模擬等手段，對(duì)某發(fā)電公司的水冷壁管失效泄漏原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：鋼的化學(xué)成分符合GB5310標(biāo)準(zhǔn)的要求，失效管的硬度仍在DL/T 438—2009標(biāo)準(zhǔn)的控制范圍，珠光體僅發(fā)生了輕微球化，斷口屬于典型熱疲勞開裂。分析認(rèn)為：水冷壁制作過程中彎曲工藝不合理所致的內(nèi)裂紋或殘余應(yīng)力過大，可能是導(dǎo)致管子彎曲處過早失效開裂的主要原因；腐蝕煙氣對(duì)熱疲勞開裂起到加速作用。

水冷壁管；熱疲勞；彎曲工藝；腐蝕煙氣

我國化石能源發(fā)電以燃煤電站為主，這種電站鍋爐受熱面受飛灰磨損、腐蝕影響很大。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，鍋爐 “四管”（水冷壁、省煤器、過熱器和再熱器）泄漏占鍋爐設(shè)備事故的60%～70%，其中腐蝕、磨損、過熱和焊接質(zhì)量差是泄漏的主要原因［1-2］。因此，分析泄漏原因，降低泄漏次數(shù)，成為提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

15CrMo鋼是廣泛應(yīng)用的鉻鉬珠光體型耐熱鋼，常被用于高壓、超高壓、亞臨界電站鍋爐的過熱器、集箱和主蒸汽管道。15CrMo鋼由于含碳量及合金含量較低而具有良好的焊接性能和加工性能，在500～580℃下具有較高的持久強(qiáng)度及良好的抗氧化性能［3］。由于這種鋼的廣泛應(yīng)用，也受到了廣泛研究，趙憲萍等［4］建立15CrMo鋼常溫和熱態(tài)下的沖蝕磨損的模型，而且在熱態(tài)下，臨界溫度以下隨著溫度升高沖蝕磨損逐漸降低，臨界溫度以上隨著溫度升高磨損量增大。臨界溫度存在的原因是，隨著溫度變化金屬表面形成的氧化膜和基體之間結(jié)合強(qiáng)度有差別［5-7］。珠光體型低碳低合金耐熱鋼在高溫下長期運(yùn)行中所發(fā)生的珠光體球化、碳化物聚集和類型變化、合金元素在固溶體和碳化物之間重新分配等成分和組織變化，以及相應(yīng)的力學(xué)性能變化等［8-9］。15CrMo低合金耐熱鋼的使用狀態(tài)為典型的淬火回火珠光體＋鐵素體組織。但在長期服役過程中，原始組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生演變，珠光體組織中滲碳體Fe3C出現(xiàn)球化和分解，向熱力學(xué)更為穩(wěn)定的碳化物類型轉(zhuǎn)化，包括M7C3，M23C6，M6C等不同類型的碳化物。隨著這些合金碳化物的析出，固溶體內(nèi)合金元素發(fā)生貧化，對(duì)材料高溫性能有明顯貢獻(xiàn)的珠光體組織和固溶強(qiáng)化行為會(huì)明顯弱化，劣化低合金鋼的高溫性能，導(dǎo)致材料失效［10］。有學(xué)者對(duì)15CrMo鋼水冷壁的腐蝕疲勞失效也進(jìn)行了有益的探討［11-12］。還有學(xué)者借助數(shù)值模擬對(duì)水冷壁失效的原因進(jìn)行分析［13］。

本文針對(duì)某公司發(fā)電機(jī)組中15CrMo鋼水冷壁管運(yùn)行僅20 000 h后發(fā)生的泄漏事故，利用現(xiàn)場割取的管材進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)合彎管過程的有限元模擬殘余受力分布，對(duì)失效原因進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

水冷壁管選用的15CrMo低合金耐熱鋼，其規(guī)格為Ф28.6×5.8 mm。鋼材的合金成分為：0.15%C，0.23%Si，0.61%Mn，0.004%S，0.009%P，0.46%Mo，0.61%Mn，0.90%Cr，合金含量符合國標(biāo)GB5310—2008的要求。水冷壁設(shè)計(jì)使用狀態(tài)的蒸汽條件為在保證出口工質(zhì)過熱度的前提下，采用較低的水冷壁出口溫度 430℃。運(yùn)行 20 000 h后，發(fā)生泄漏。

截取泄漏失效段的管材，用相機(jī)照相記錄其裂紋的外觀狀態(tài)。于泄漏裂紋處橫向打斷，用相機(jī)記錄其端口的宏觀形貌。用KB-3000E硬度計(jì)，測量泄漏處，管壁向火面和背火面的硬度情況。依據(jù)DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)失效管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，分析泄漏處金屬的顯微組織特征。用JEOL JSM-6460掃描電鏡對(duì)斷口處及裂紋尖端處的形貌進(jìn)行分析，并用掃描電鏡附帶的EDAX GENESIS2000X-Ray能譜儀對(duì)斷口處的成分加以分析。利用有限元數(shù)值計(jì)算手段，模擬分析鋼管在冷彎后內(nèi)部的殘余應(yīng)力，輔助分析在高溫運(yùn)行后，水冷壁特殊位置出現(xiàn)裂縫泄漏的原因。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀檢查

圖1和圖2分別為失效水冷壁向火面滲透探傷照片和水冷壁向火面橫向裂紋打斷后宏觀斷口照片。水冷壁管表面結(jié)垢清理后，發(fā)現(xiàn)水冷壁向火面密集分布大量橫向裂紋，彎曲變形處橫向開裂尤為嚴(yán)重，如圖1所示。水冷壁向火面橫向裂紋打斷后宏觀斷口上裂紋被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，化學(xué)清洗后，可觀察到明顯的貝紋線，裂紋由管外壁向管內(nèi)壁直線擴(kuò)展，裂紋長短不一，如圖2所示。結(jié)合向火面?zhèn)让嫜丨h(huán)向密集分布的橫向平行裂紋，水冷壁管的橫向裂紋具有比較明顯的熱疲勞斷裂特征。

2.2 硬度檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 231.1—2009《金屬布氏硬度試驗(yàn)第1部分試驗(yàn)方法》，采用KB-3000E數(shù)顯布氏硬度計(jì)對(duì)失效處鋼管的硬度進(jìn)行檢測。試驗(yàn)條件為負(fù)荷750 kg，保壓15 s，鋼球直徑5 mm。試驗(yàn)結(jié)果列于表2中。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，水冷壁管向火面的硬度值高于背火面，但兩側(cè)的硬度仍在DL/T438的控制范圍。

圖1 水冷壁向火面滲透探傷形貌

圖2 水冷壁向火面橫向裂紋打斷后宏觀斷口形貌

表1 水冷壁管布氏硬度測試結(jié)果 HBW

2.3 金相檢驗(yàn)

經(jīng)切割試驗(yàn)檢查，在水冷壁管的背火面內(nèi)外壁沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋，為研究微觀組織對(duì)裂紋形成的影響，于水冷壁管彎管附近區(qū)域的向火面一側(cè)截取金相試樣，4%的硝酸酒精為腐蝕劑。

圖3（a）為水冷壁管向火面一側(cè)的縱截面低倍組織。在向火側(cè)外壁存在大量的橫向裂紋，多數(shù)裂紋形態(tài)為楔形，從外向內(nèi)擴(kuò)展，最大裂紋深度超過3 mm。內(nèi)壁也有一些裂紋，且內(nèi)壁拐角處居多，由內(nèi)向外擴(kuò)展，最深約1 mm。

圖3（b）和（c）分別是水冷壁向火面外壁深裂紋和深裂紋附近微觀金相組織?？梢钥闯觯浔诠芟蚧鹈鎯?nèi)外壁的金相組織均為鐵素體＋珠光體，珠光體組織形態(tài)完整，1級(jí)球化程度，屬輕度球化。另外，向火側(cè)外壁大量的橫向裂紋形態(tài)為楔形（裂紋以直線擴(kuò)展），以穿晶方式由外向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋端部圓鈍，裂紋區(qū)域內(nèi)存在氧化腐蝕產(chǎn)物。在裂紋尖端呈直線，說明裂紋在擴(kuò)展過程中既要穿過珠光體晶粒也要穿過鐵素體晶粒，如圖3（d）所示。同時(shí)，裂紋發(fā)展過程中有開裂、增寬、尖端圓鈍等特征，為開裂→鈍化→開裂特征。向火側(cè)的內(nèi)壁也存在橫向裂紋，形態(tài)與外壁裂紋類似，但數(shù)量和長度低于外壁出現(xiàn)的裂紋。

圖3 15CrMo鋼水冷壁裂紋處金相組織

圖4 向火面外壁橫向平行裂紋斷面形貌

圖5 向火面外壁橫向平行裂紋瞬斷區(qū)的形貌

圖6 水冷壁管向火面裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

2.4 斷口SEM及能譜分析

圖4為水冷壁管向火面外壁橫向平行裂紋斷面清洗后的形貌?？梢钥闯?，該斷面上分布有多個(gè)裂紋源區(qū)（如圖中箭頭所指），不同裂紋源之間有一定的高度差，每個(gè)裂紋斷面上有比較清晰的呈圓弧形且相互平行的貝紋線，條紋之間的距離比較規(guī)則，并和裂紋的擴(kuò)展方向相垂直，即由外向內(nèi)逐漸擴(kuò)展［12］。圖5為水冷壁管裂紋瞬斷區(qū)的形貌，斷口上有明顯的河流花樣、舌狀花樣、扇形花樣以及二次裂紋，具有典型的脆性斷裂特征。圖6為水冷壁管向火面外壁裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果，可以看出，腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物、硫化物。至于在腐蝕產(chǎn)物表面檢測到Al、K、Si等元素，可能與煙氣中的灰塵吸附有關(guān)。

圖7 有限元模擬水冷壁管冷彎后殘余應(yīng)力分布圖

3 分析與討論

根據(jù)上述檢測結(jié)果，該水冷壁管的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；且水冷壁管處于運(yùn)行老化初期，沒有發(fā)生超溫導(dǎo)致的嚴(yán)重組織劣化、性能降低的現(xiàn)象。由此，可以排除材質(zhì)因素和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致開裂失效。

失效水冷壁管橫向裂紋附近金相、裂紋斷口掃描電鏡照片以及能譜分析結(jié)果表明，水冷壁管向火面裂紋具有這幾個(gè)特征：①裂紋為橫向平行裂紋，呈楔形；②內(nèi)外壁均有裂紋，外壁裂紋數(shù)量多且較深；③裂紋擴(kuò)展具有明顯的方向性，以穿晶形式垂直于管壁周向應(yīng)力擴(kuò)展；④外壁裂紋充滿腐蝕性產(chǎn)物，主要成分為鐵的氧化物和硫化物；⑤裂紋斷面呈圓弧形且相互平行的貝紋線裂紋形態(tài)特征，屬于典型的熱疲勞裂紋。

3.1 水冷壁熱疲勞機(jī)理分析

機(jī)組在運(yùn)行過程中，溫度存在波動(dòng)，處于相對(duì)高溫區(qū)運(yùn)行時(shí)水冷壁受熱膨脹，但由于膜式水冷壁的結(jié)構(gòu)約束，阻礙其伸長而產(chǎn)生壓應(yīng)力，在壓應(yīng)力情況下，即便水冷壁管表面有原始裂紋，它也得不到擴(kuò)展。機(jī)組運(yùn)行溫度降低，水冷壁內(nèi)壓應(yīng)力減弱，如果收縮程度較大，在水冷壁管內(nèi)部就可能形成較大的拉應(yīng)力，這時(shí)就容易使表面形成應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋。然而，水冷壁管局部的傳熱惡化會(huì)導(dǎo)致水冷壁管局部溫度飛升，隨著溫度的升高，管壁材料熱應(yīng)力升高，材料的屈服強(qiáng)度下降，材料的塑性變形無法回避。有限元模擬計(jì)算表明，15CrMo鋼水冷壁在550℃左右產(chǎn)生的熱應(yīng)力即可超過其屈服強(qiáng)度引起塑性變形。當(dāng)加熱過程中不可恢復(fù)壓縮塑性變形產(chǎn)生后，溫度降低，鋼的變形抗力升高，反向熱應(yīng)變受阻，導(dǎo)致鋼內(nèi)部產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，拉應(yīng)力是熱疲勞裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力［13］。隨著水冷壁溫度的周期性變化，水冷壁所受拉、壓熱應(yīng)力會(huì)交替變化，從而導(dǎo)致其熱疲勞。

失效的水冷壁管運(yùn)行了20 000 h，這期間啟停不過幾十次。理論上而言，在僅有幾十次啟停應(yīng)力循環(huán)的情況下，管子表層金屬不致于發(fā)生熱應(yīng)力低周疲勞破壞。水冷壁管之所以發(fā)生熱疲勞失效大致有2個(gè)原因，第一可能是運(yùn)行溫度波動(dòng)太大，導(dǎo)致管子內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，使水冷壁管過早產(chǎn)生疲勞裂紋，直至失效泄漏；第二可能是從管子在安裝之前彎管工藝選擇不當(dāng)，即彎管溫度太低或者彎管速度太快，導(dǎo)致在彎曲處產(chǎn)生一些微裂紋，而后的處理又不足以使這些微裂紋重新焊合，在機(jī)組的運(yùn)行過程中這些微裂紋作為熱疲勞過程中裂紋源而加速了管子的失效泄漏。從金相分析的結(jié)果可以看出，水冷壁管向火側(cè)內(nèi)外壁的金相組織僅發(fā)生了輕微的珠光體球化，說明失效部位超溫運(yùn)行的可能性不大，硬度檢測的結(jié)果也能說明這一點(diǎn)，硬度值仍在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，也說明局部超溫運(yùn)行的可能性不大。因此，基本可以排除超溫運(yùn)行因素對(duì)熱疲勞失效的影響。

3.2 水冷壁彎管工藝對(duì)熱疲勞開裂的影響

觀察發(fā)現(xiàn)，失效水冷壁管向火面上的橫向裂紋集中于彎管處，直管段幾乎沒有裂紋，說明水冷壁冷彎管變形對(duì)熱疲勞開裂具有顯著的影響。

用有限元數(shù)值模擬分析的冷彎管成形后殘余應(yīng)力的分布情況，如圖7所示。彎管處的殘余應(yīng)力最大約90 MPa，說明在冷彎過程中產(chǎn)生了非常大的不均勻變形，鋼管作為一個(gè)整體，在變形過程中各部分要相互協(xié)調(diào)，而15CrMo鋼的組織組成為珠光體＋鐵素體，珠光體的硬度大約HB230，鐵素體的硬度HB70～80［14］，兩者硬度差別顯著，在冷變形過程中，珠光體難以變形，鐵素體易于變形。變形過程中，珠光體由于變形抗力大而受到附加拉應(yīng)力，鐵素體因變形抗力小而受到壓應(yīng)力作用，勢必在相鄰的鐵素體和珠光體界面上形成較大的應(yīng)力集中，從而形成微裂紋，如果在冷彎成形后不進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，這些微裂紋不會(huì)自行消失，最后遺留在內(nèi)部成為熱疲勞裂紋源。鋼的組織是均勻的，表面組織在變形過程中受到約束較少，更容易產(chǎn)生微裂紋，這也是裂紋由表面向內(nèi)部擴(kuò)展的原因之一，另外，管件在制備和運(yùn)行過程當(dāng)中，表面組織易受到外界環(huán)境的干擾，這是裂紋由表面向內(nèi)部擴(kuò)展的原因之二。

采用機(jī)組運(yùn)行的高溫區(qū)溫度，對(duì)水冷壁冷彎管進(jìn)行550℃時(shí)效數(shù)值模擬，分析時(shí)效后彎管處的殘余應(yīng)力分布情況，如圖8所示。水冷壁變形區(qū)域高溫服役后，應(yīng)力集中得以松弛，未時(shí)效的最大殘余應(yīng)力降至約20 MPa，而且產(chǎn)生了較大塑性變形。停機(jī)冷卻后，水冷壁原冷彎變形區(qū)將因此承受較大拉應(yīng)力，與熱疲勞拉應(yīng)力疊加更容易萌生裂紋。在這種情況下，因冷彎工藝不合理造成微裂紋也更容易擴(kuò)展。

在鍋爐運(yùn)行的升溫階段水冷壁受較大熱負(fù)荷沖擊，彎管處金屬要承受較大的壓應(yīng)力，可能是管子產(chǎn)生一定的壓縮變形，但是由于溫度相對(duì)較低，鋼內(nèi)部原子遷移速度較低，冷加工過程造成的微裂紋不但沒有焊合，還有可能使其有所增大。然而，在停機(jī)冷卻過程中，水冷壁彎管處又要承受較大的拉應(yīng)力，而過大的拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致裂紋的萌生或原有微裂紋的快速擴(kuò)展。

裂紋一旦萌生，受熱疲勞應(yīng)力循環(huán)作用，裂紋逐漸擴(kuò)展，腐蝕性煙氣會(huì)加速表面裂紋的擴(kuò)展［15］。此外，根據(jù)Goodman關(guān)系，殘余拉應(yīng)力將使材料的疲勞極限下降，導(dǎo)致熱疲勞裂紋擴(kuò)展加速［16］。

失效的水冷壁管向火面所產(chǎn)生的橫向裂紋大多集中于其彎管處，而直管段幾乎沒有裂紋的原因，就在于此。

3.3 煙氣腐蝕對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響

圖3（a）表明，水冷壁彎曲處附近的向火側(cè)外表面的裂紋深度大于內(nèi)表面，內(nèi)外表面上的裂紋均由表面向內(nèi)擴(kuò)展，說明裂紋應(yīng)先在表面形成或者表面原有的裂紋向里擴(kuò)展。斷口處能譜分析結(jié)果表明，在斷口上分布有煤燃燒灰質(zhì)，比如K、S等元素在斷口上含量較大，由于這些灰質(zhì)吸附在裂紋尖端，使裂紋不易鈍化，因此，在裂紋尖端容易形成較大的應(yīng)力集中，促使裂紋擴(kuò)展。這可能是水冷壁彎曲處向火側(cè)內(nèi)側(cè)裂紋的深度小于外側(cè)的原因。

圖8 有限元模擬水冷壁管冷彎＋550℃時(shí)效后應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

a.失效水冷壁管橫向裂紋表現(xiàn)為典型的熱疲勞裂紋，推斷失效水冷壁管的熱疲勞開裂的主要原因是水冷壁管在制作過程選擇冷彎工藝不當(dāng)，造成在管子彎曲處的材料內(nèi)部或表面產(chǎn)生了微裂紋，在機(jī)組運(yùn)行中這些微裂紋成為熱疲勞裂紋的源頭，促使該處水冷壁管過早失效泄漏。

b. 腐蝕煙氣促使表面裂紋擴(kuò)展，是失效水冷壁管彎曲處裂紋外側(cè)裂紋較內(nèi)側(cè)大的原因。

c.失效水冷壁管的化學(xué)成分和布氏硬度符合GB5310及DL/T438技術(shù)條件要求。彎管處向火側(cè)組織為鐵素體＋珠光體，球化級(jí)別為1級(jí)，材質(zhì)無明顯嚴(yán)重過熱特征，處于老化的初中期階段。

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Failure Reasons Analysis on Bend Surface of Water Wall Tube for Ultra Supercritical Unit

WU Youfu1，HOU Zhaotang2
（1.Shenhua Fujian Energy Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350004，China 2.Xi'an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi 710054，China）

The causes of the cracks of water wall tubes are analyzed by means of chemical composition，hardness testing，metallo?graphic observation，fracture analysis，spectrum analysis of corrosion products and finite element numerical simulation.The results show that the chemical composition of the steel meets the requirements of the GB5310 standard，the hardness of water wall tubes still meets DL/T 438-2009 standard.Spheroidization of pearlite in water wall steel is slight.The tracture belongs to a typical thermal fa?tigue crack.The internal crack or the residual stress caused by the bending process is too large which may be the main reason for the premature failure.Corrosion of flue gas plays a role in the promotion of thermal fatigue cracking.

water wall tubes；thermal fatigue；bending process；corrosion gas

TM621

A

1004-7913（2017）03-0045-05

吳優(yōu)福（1966），男，碩士，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電廠管理工作。

2016-12-29）