350 MW超臨界鍋爐水冷壁多漏點(diǎn)爆管原因分析

馬少海 笪耀東 楊喜勝

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

水冷壁是鍋爐機(jī)組的重要組成部件，其工作環(huán)境與其他部分相比更加惡劣，在運(yùn)行過(guò)程中極易發(fā)生缺陷，影響鍋爐機(jī)組的安全運(yùn)行，因此，水冷壁是鍋爐定期檢驗(yàn)時(shí)的重點(diǎn)之一。在電站鍋爐中，引起水冷壁故障的主要因素有過(guò)熱、腐蝕、磨損、應(yīng)力損壞和疲勞損壞等。

1 爆管概況

某鋁業(yè)股份有限公司熱電廠6號(hào)機(jī)組鍋爐型號(hào)為SG-1110/25.4-M4404，是上海電氣集團(tuán)鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的350MW超臨界參數(shù)直流鍋爐，為單爐膛、四角切圓燃燒、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊Π型結(jié)構(gòu)煤粉鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量1110t/h，過(guò)熱器出口額定蒸汽壓力25.4MPa，過(guò)熱器出口額定蒸汽溫度571℃，再熱器出口額定蒸汽壓力4.29MPa，再熱器出口額定蒸汽溫度569℃。

2016年11月30日，6號(hào)機(jī)組運(yùn)行中水冷壁發(fā)生泄漏造成機(jī)組停機(jī)。停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)前墻約21m標(biāo)高處#1角燃燒器水冷套出口彎頭處，多根水冷壁管發(fā)生泄漏。為查出水冷壁爆管事故原因，針對(duì)爆管的水冷壁進(jìn)行了失效分析[1-3]。

圖1為水冷壁管泄漏點(diǎn)處照片。圖中對(duì)產(chǎn)生的泄漏點(diǎn)進(jìn)行從上到下依次編號(hào)，共有8處漏點(diǎn)。

圖1 水冷壁管泄漏點(diǎn)

2 資料查閱

截止到泄漏停爐，該鋁業(yè)股份有限公司熱電廠6號(hào)機(jī)組鍋爐累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約27000h，圖1中，上數(shù)1～3根管子是在2016年6月停爐大修期間，因水冷壁高溫腐蝕壁厚減薄而更換的管子，其余管子為原始管。水冷壁管材質(zhì)為15CrMoG，水冷壁管焊接采用GTAW焊接方法，焊接材料為TIG-R30焊絲，鰭片材料為SA387-Gr12Cl1，鰭片與水冷壁管之間焊接采用SMAW焊接方法，焊接材料為φ3.2mm的R307手工焊電焊條，焊前預(yù)熱溫度≥150℃，預(yù)熱方式為火焰預(yù)熱。

3 試驗(yàn)檢測(cè)與分析

為分析泄漏原因，取水冷壁泄漏區(qū)共6根水冷壁管作為分析用樣管，進(jìn)行下列試驗(yàn)。

3.1 宏觀檢查與首漏點(diǎn)判斷

圖2為各泄漏點(diǎn)外觀形貌圖，從圖2可以看出，①和⑧號(hào)漏點(diǎn)尺寸較大，均呈桃核形外翻形貌，②至⑦號(hào)漏點(diǎn)尺寸較小。結(jié)合圖1和圖4，③號(hào)漏點(diǎn)左側(cè)存在一處長(zhǎng)40mm×寬15mm的補(bǔ)焊區(qū)，補(bǔ)焊區(qū)正對(duì)⑦號(hào)漏點(diǎn)位置。③～⑥號(hào)漏點(diǎn)均位于水冷壁管表面，⑦號(hào)漏點(diǎn)位于水冷壁管與鰭片焊接接頭區(qū)域。該分析用樣管外表面無(wú)明顯腐蝕痕跡。

結(jié)合圖1及圖2各漏點(diǎn)位置以及形貌可以看出，①和⑧號(hào)漏點(diǎn)為吹損減薄，非首漏點(diǎn)；②號(hào)為①號(hào)漏點(diǎn)泄漏吹損造成的泄漏；④、⑤號(hào)為⑦號(hào)漏點(diǎn)泄漏吹損造成的泄漏；⑥號(hào)為⑤號(hào)漏點(diǎn)泄漏吹損造成的泄漏。結(jié)合圖1和圖2(c)，⑦號(hào)漏點(diǎn)右上位置，正對(duì)③號(hào)漏點(diǎn)左側(cè)的補(bǔ)焊區(qū)[圖2(c)中圓圈位置]，該區(qū)域位于新更換管子上，且補(bǔ)焊區(qū)外觀形貌較差，若在補(bǔ)焊區(qū)存在泄漏，會(huì)吹損⑦號(hào)位置造成減薄泄漏。因此，對(duì)③漏點(diǎn)右側(cè)補(bǔ)焊區(qū)進(jìn)行表面滲透（PT）探傷檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，該區(qū)域并未出現(xiàn)因焊接造成的泄漏情況。綜合以上宏觀檢查與分析，可以判斷位于鰭片與水冷壁管焊接位置的⑦號(hào)漏點(diǎn)為本次水冷壁泄漏的第一漏點(diǎn)。

圖2 各泄漏點(diǎn)外觀形貌圖

圖3 補(bǔ)焊區(qū)滲透探傷

圖4 水冷壁鰭片焊接宏觀形貌

⑦號(hào)漏點(diǎn)位于鰭片與水冷壁管焊接位置，圖4為水冷壁管鰭片焊接宏觀形貌。

3.2 金相檢測(cè)及分析

對(duì)⑦號(hào)漏點(diǎn)解剖進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖5及圖6。

從圖5可以看出，水冷壁管組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體組織，符合GB 5310—2008對(duì)15CrMoG材料的組織規(guī)定，母材球化評(píng)級(jí)為II級(jí)。

從圖6可以看出，⑦號(hào)漏點(diǎn)附近金相組織為鐵素體+珠光體+魏氏組織。

圖5 水冷壁管金相組織

圖6 ⑦號(hào)漏點(diǎn)附近金相組織

3.3 掃描電鏡及能譜分析

對(duì)首泄漏點(diǎn)周圍進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，見(jiàn)圖7及圖8。

從圖7可以看出，泄漏點(diǎn)附近存在一定的表面涂覆層。從圖8可以看出，表面涂覆層除含有較多的O、Fe、Cr等元素外，還含有一定的S元素。

4 原因分析

通過(guò)漏點(diǎn)位置以及形貌分析，確定位于上數(shù)第4根水冷壁管上的⑦號(hào)漏點(diǎn)為首漏點(diǎn)。結(jié)合圖4鰭片形貌，可以看出新?lián)Q管的鰭片焊接雖無(wú)明顯焊接缺陷，但鰭片焊接成形不良。

圖7 漏點(diǎn)附近表面掃描電鏡

圖8 表面涂覆層能譜分析

從圖5可以看出，⑦號(hào)漏點(diǎn)管子金相組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體組織，是15CrMoG材料正常的金相組織；從圖6可以看出，⑦號(hào)漏點(diǎn)附近金相組織中存在較為明顯的魏氏組織[4]。魏氏組織是材料經(jīng)過(guò)高溫處理，在一定的冷卻速度下形成的一種典型過(guò)熱組織。DL 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，耐熱鋼焊接接頭不應(yīng)出現(xiàn)過(guò)熱組織。過(guò)熱組織的出現(xiàn)，會(huì)降低焊接接頭的整體力學(xué)性能，尤其是對(duì)沖擊韌性影響較大，同時(shí)，該組織區(qū)域也會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)。

從圖7可以看出，泄漏點(diǎn)附近存在一定的表面涂覆層，且涂覆層存在向金屬基體內(nèi)部侵蝕的現(xiàn)象。對(duì)表面涂覆層進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8可以看出，表面涂覆層除含有較多的O、Fe、Cr等元素外，還含有一定的S元素。經(jīng)了解，該電廠水冷壁運(yùn)行過(guò)程中存在較嚴(yán)重的高溫腐蝕[5]現(xiàn)象，為了緩解高溫腐蝕，在該區(qū)域水冷壁進(jìn)行過(guò)表面噴涂防護(hù)處理，但在運(yùn)行過(guò)程中，仍不能避免表面S元素的聚集，但分析用樣管外表面無(wú)明顯腐蝕痕跡。

綜合以上分析，本次水冷壁泄漏主要原因?yàn)楹附釉驅(qū)е滤浔诠芘c鰭片焊接處存在過(guò)熱組織。過(guò)熱組織的出現(xiàn)，會(huì)降低焊接接頭的整體力學(xué)性能，尤其是對(duì)沖擊韌性影響較大，同時(shí)，該組織區(qū)域也會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，并在運(yùn)行過(guò)程中于該處產(chǎn)生微裂紋。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，該薄弱處發(fā)生泄漏。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)上述試驗(yàn)及分析，得出如下結(jié)論：

本次水冷壁泄漏主要原因?yàn)楹附釉驅(qū)е滤浔诠芘c鰭片焊接處存在過(guò)熱組織。不符合DL 869—2012中7.4的規(guī)定，即耐熱鋼焊接接頭不應(yīng)出現(xiàn)過(guò)熱組織。

根據(jù)水冷壁管泄漏的失效原因，提出如下建議：

1）對(duì)同一批次更換的水冷壁鰭片焊縫進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)以及金相抽查，若發(fā)現(xiàn)缺陷或過(guò)熱組織，應(yīng)進(jìn)行更換。

2）對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷或過(guò)熱組織的水冷壁管進(jìn)行更換時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝。

3）通過(guò)改進(jìn)煤種、調(diào)整風(fēng)量匹配、調(diào)整燃燒或噴涂等方式緩解水冷壁高溫腐蝕。

[1] 錢林峰，于建明，錢公.超臨界鍋爐水冷壁缺陷統(tǒng)計(jì)及檢驗(yàn)優(yōu)化建議[J].電力安全技術(shù)，2013，15（07）：30-31.

[2] 于振狄.HB-1792/26.15鍋爐水冷壁爆管原因分析[J].電站系統(tǒng)工程，2008，24(03)：37-38.

[3] Bulloch J H， Callagy A G， Scully S. A failure analysis and remnant life assessment of boiler evaporator tubes in two 250MW boilers[J]. Engineering Failure Analysis， 2009， 16(03)： 775-793.

[4] 寧玫，李志群，孫梅紅，等.魏氏組織形成機(jī)理及對(duì)鋼管性能影響的分析研究[J].天津冶金，2008(05)：118-124+151.

[5] 錢公，車暢，錢林峰，等.超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕分析[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2015，31(S1)：59-64.