超超臨界機組水冷壁管彎曲處失效泄漏原因分析

吳優(yōu)福， 侯召堂

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

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材料技術(shù)

超超臨界機組水冷壁管彎曲處失效泄漏原因分析

吳優(yōu)福1， 侯召堂2

(1. 神華(福建)能源有限責(zé)任公司， 福州 350004； 2. 西安熱工研究院有限公司， 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，對某發(fā)電公司的水冷壁管失效泄漏的原因進行了分析。結(jié)果表明：水冷壁制作過程冷變形所致的殘余應(yīng)力和運行過程的熱應(yīng)力過大，是導(dǎo)致管子彎曲處過早失效的主要原因，腐蝕煙氣對熱疲勞裂紋擴展起了促進作用。

鍋爐； 水冷壁管； 熱疲勞； 彎曲工藝； 腐蝕煙氣

水冷壁作為鍋爐主要受熱部分，是燃煤火電機組鍋爐的重要部件之一。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，鍋爐水冷壁、省煤器、過熱器和再熱器泄漏是發(fā)電鍋爐設(shè)備占鍋爐設(shè)備事故的60%～70%[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)濟性和運行穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

15CrMo是廣泛應(yīng)用的鉻鉬珠光體型耐熱鋼，以其良好的焊接性能和加工性能，常被用于亞臨界電站鍋爐的過熱器、水冷壁等受熱面[3]。15CrMo低合金耐熱鋼的使用狀態(tài)通常為經(jīng)正火加回火處理的珠光體+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，對材料高溫性能有明顯貢獻的珠光體組織和固溶強化行為會明顯弱化，劣化低合金鋼的高溫性能，導(dǎo)致材料失效[4]。文獻[5-6]對15CrMo鋼水冷壁的腐蝕疲勞失效進行了探討，文獻[7]借助數(shù)值模擬對水冷壁的失效原因進行分析[7]。

筆者針對某公司的發(fā)電機組中15CrMo鋼水冷壁管，運行僅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，對失效原因進行了分析。

1 試驗材料與方法

水冷壁管選用的15CrMo低合金耐熱鋼，其規(guī)格為d=28.6 mm，δ=5.8mm。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)GB 5310—2008的要求。水冷壁設(shè)計使用狀態(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 ℃。運行20 000 h后，發(fā)生泄漏。

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

2 試驗結(jié)果

2.1 宏觀檢查

圖1為失效水冷壁裂紋位置圖和滲透探傷照片，圖2為水冷壁向火面橫向裂紋打斷后宏觀斷口照片。

圖2 水冷壁向火面橫向裂紋打斷后宏觀斷口

失效水冷壁管所處位置拘束度較大，屬于補焊管，變形嚴(yán)重，應(yīng)為安裝補焊過程造成的冷變形(見圖1(a))；水冷壁表面結(jié)垢清理后，向火面表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(見圖1(b))。

從圖2可見：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)壁直線擴展，裂紋長短不一。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的特征。

2.2 硬度檢驗

依據(jù)GB/T 231.1—2009 《金屬布氏硬度試驗第1部分試驗方法》，采用KB-3000E數(shù)顯布氏硬度計對失效處鋼管的硬度進行檢測。試驗條件為負荷750 kg，保壓15 s，鋼球直徑5 mm，試驗結(jié)果見表1。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的，但兩側(cè)的硬度仍在DL/T 438(15CrMo，HBW118～180)的控制范圍。

表1 水冷壁管布氏硬度測試結(jié)果

2.3 金相檢驗

經(jīng)檢查，在水冷壁管的背火面內(nèi)外壁沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋，為研究微觀組織對裂紋形成的影響，在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)向外擴展，最深處約1 mm。圖3(b)和圖3(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。從圖3(b)和圖3(c)可以看出：水冷壁管向火面內(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(裂紋以直線擴展)，由外向內(nèi)擴展，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，說明裂紋在擴展過程中既要穿過珠光體晶粒，也要穿過鐵素體晶粒(見圖(3)d)。同時，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)量和長度少于外壁出現(xiàn)的裂紋。

圖3 15CrMo鋼水冷壁裂紋處金相組織

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。從圖4可以看出：該斷面上分布有多個裂紋源區(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，并和裂紋的擴展方向相垂直，即由外向內(nèi)逐漸擴展[6]。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，從中可以看出，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

3 分析與討論

綜觀上述檢測結(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)量多且深度大；(3)裂紋擴展具有明顯的方向性，垂直于水冷壁管周向應(yīng)力擴展；(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 水冷壁熱疲勞機理分析

機組在運行過程中，溫度存在波動，處于相對高溫區(qū)運行時水冷壁受熱膨脹, 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，它也得不到擴展。機組運行溫度降低，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，容易在表面應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋。然而，水冷壁管局部的傳熱惡化也會導(dǎo)致壁溫迅速升高，隨著溫度的升高，管壁材料熱應(yīng)力升高，材料的屈服強度下降，材料發(fā)生塑性變形。有限元模擬計算表明，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)力是熱疲勞裂紋擴展的動力[7]。隨著水冷壁溫度的周期性變化，水冷壁所受拉、壓熱應(yīng)力會交替變化，從而導(dǎo)致發(fā)生熱疲勞。

失效的水冷壁管運行了2萬多小時，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，管子表層金屬是不致于發(fā)生熱應(yīng)力低周疲勞破壞的。那么，水冷壁管之所以發(fā)生熱疲勞失效大致有兩個原因：第一可能是運行溫度波動太大，導(dǎo)致管子內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，使水冷壁管過早地產(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，在機組的運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。從第2.3節(jié)金相分析的結(jié)果可以看出，水冷壁管向火側(cè)的內(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行的可能性不大，硬度值仍在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，也說明局部超溫運行的可能性不大。因此，基本可以排除超溫運行因素對熱疲勞失效的影響。

3.2 水冷壁彎管工藝對熱疲勞開裂的影響

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(見圖7)。彎管處的殘余應(yīng)力最大約322 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230HBS,鐵素體的硬度70～80HB[8],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，從而可能形成微裂紋。如果在冷彎成形后不進行高溫的熱處理，這些微裂紋不會自行消失，最后遺留在內(nèi)部成為熱疲勞裂紋源。

圖7 有限元模擬水冷壁管冷彎后殘余應(yīng)力分布圖

對水冷壁冷彎管進行550 ℃時效數(shù)值模擬，分析時效后彎管處的殘余應(yīng)力分布情況，見圖8。水冷壁變形區(qū)域高溫服役后，應(yīng)力集中得以松弛，未時效的最大殘余應(yīng)力降至約265 MPa，而且產(chǎn)生了較大塑形變形。停機冷卻后，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)力迭加更容易萌生裂紋。在這種情況下，原先因冷彎造成的微裂紋也更容易擴展。

圖8 有限元模擬水冷壁管冷彎+550 ℃時效后應(yīng)力分布圖

在鍋爐運行的升溫階段水冷壁受較大熱負荷沖擊，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不足以焊合，還有可能使其有所長大。然而，在停機冷卻過程中，水冷壁彎管處又要承受較大的拉應(yīng)力，而過大的拉應(yīng)力會導(dǎo)致裂紋的萌生或原有微裂紋的擴展。

裂紋一旦萌生，受熱疲勞應(yīng)力循環(huán)作用，裂紋逐漸擴展，腐蝕性煙氣會促使表面裂紋的擴展[9]。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)致熱疲勞裂紋擴展加速[10]。

失效的水冷壁管向火面所產(chǎn)生的橫向裂紋大多集中在彎管處，而直管段幾乎沒有裂紋的原因，就比較清楚了。

3.3 煙氣腐蝕對疲勞裂紋擴展的影響

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)表面的，內(nèi)外表面上的裂紋均由表面向內(nèi)擴展，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多，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，促使裂紋擴展。

4 結(jié)語

(1) 水冷壁管失效實質(zhì)是熱疲勞開裂。

(2) 水冷壁管失效的根本原因是加工制造中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和高溫運行為熱疲勞裂紋的萌生、擴展提供了條件，腐蝕性煙氣促進了疲勞裂紋的擴展。

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Cause Analysis on Leakage Failure at Tube Bends of Water Wall in an Ultra-supercritical Unit

Wu Youfu1, Hou Zhaotang2

(1. Shenhua (Fujian) Energy Co., Ltd., Fuzhou 350004, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

By means of chemical composition analysis, hardness testing, optical microscopy observation, fracture surface analysis, spectrum analysis and finite element numerical simulation, the causes leading to the leakage failure of water wall tubes in a power generation company were investigated. Results show that the failure was mainly caused by both the too large residual stress from cold deformation of water wall during fabricating process and the too large thermal stress generated during operation period, which led to the premature failure of relevant tube bends. Moreover, the corrosive flue gas also accelerated the propagation of related thermal fatigue cracks.

boiler; water wall tube; thermal fatigue; bending process; corrosive flue gas

2016-12-02；

2017-03-17

吳優(yōu)福(1965—)，男，高級工程師，長期從事火力發(fā)電廠管理工作E-mail: 17213008@shenhua.cc

TK249

A

1671-086X(2017)03-0188-05