600 MW超臨界機(jī)組15CrMoG水冷壁管失效分析*

劉川槐， 劉 濤， 王 偉， 葉 琳

(淮浙煤電有限責(zé)任公司 鳳臺(tái)發(fā)電分公司， 安徽淮南 232001)

鍋爐受熱面管包括水冷壁管、省煤器管、過(guò)熱器管和再熱器管，簡(jiǎn)稱“四管”，鍋爐“四管”泄漏是電廠非正常停機(jī)最普遍的原因，一般占機(jī)組非正常停機(jī)事故的50%以上[1]。15CrMoG是超(超)臨界鍋爐水冷壁、包墻過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器及低溫再熱器等主要蒸發(fā)受熱面普遍使用的材料，特別是水冷壁，在運(yùn)行中承受高溫、高壓、高熱負(fù)荷等惡劣條件，因而水冷壁泄漏是影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)難題[2-4]。筆者針對(duì)某電廠600 MW超臨界機(jī)組材質(zhì)為15CrMoG的垂直水冷壁管、前包墻過(guò)熱器管及中隔墻過(guò)熱器管接連發(fā)生泄漏，進(jìn)行理化檢驗(yàn)和原因分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

發(fā)生泄漏的水冷壁管宏觀形貌見(jiàn)圖1。管子爆口呈唇形，爆口邊緣較鈍，爆口長(zhǎng)約為45 mm，爆口附近管子無(wú)明顯脹粗，呈明顯的超溫爆管特征。

圖1 發(fā)生泄漏的水冷壁管宏觀形貌

采用內(nèi)窺鏡對(duì)發(fā)生泄漏的垂直水冷壁管進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)大量異物附著在垂直水冷壁內(nèi)壁(見(jiàn)圖2)，且管子入口90°彎頭處堆積大量異物并將彎頭堵死(見(jiàn)圖3)。對(duì)其他垂直水冷壁管進(jìn)行抽查，發(fā)現(xiàn)同樣存在不同程度的異物堵塞問(wèn)題。管子內(nèi)壁取出的異物見(jiàn)圖4。

圖2 發(fā)生泄漏的水冷壁內(nèi)壁宏觀形貌

圖3 水冷壁管彎頭堵塞情況

圖4 水冷壁管內(nèi)取出的異物

1.2 化學(xué)成分檢驗(yàn)

對(duì)發(fā)生泄漏的水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。管子的合金元素符合DL/T 991—2006 《電力設(shè)備金屬光譜分析技術(shù)導(dǎo)則》要求，因此可以排除材質(zhì)用錯(cuò)的可能性。

1.3 硬度試驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231.1—2009 《金屬布氏硬度試驗(yàn) 第一部分：試驗(yàn)方法》要求在管子漏點(diǎn)附近、漏點(diǎn)背面和距漏點(diǎn)400 mm直段處分別截取硬度試樣進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。管子硬度符合DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求的125～170 HB。

表2 管子室溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果 HB

1.4 金相檢驗(yàn)

在水冷壁管漏點(diǎn)附近及距漏點(diǎn)400 mm直段處分別切取金相試樣，試樣經(jīng)磨制拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕，其組織形態(tài)見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 管子漏點(diǎn)附近金相組織

圖6 離漏點(diǎn)400 mm處管子金相組織

由圖5可知：管子漏點(diǎn)附近組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，球化1級(jí)，晶粒度6級(jí)，管子內(nèi)壁上存在深度較淺、底部圓滑的凹坑，未見(jiàn)裂紋及孔洞形表面缺陷，凹坑深度約為0.2 mm。

由圖6可知：離漏點(diǎn)400 mm處管子組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，少量碳化物沿鐵素體晶界分布，球化1.5級(jí)，晶粒度6級(jí)，管子內(nèi)壁上存在深度較淺、底部圓滑的凹坑，未見(jiàn)裂紋及孔洞形表面缺陷，凹坑深度約為0.08 mm。

1.5 掃描電鏡及垢量分析

對(duì)水冷壁管內(nèi)取出的異物進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析。水冷壁管內(nèi)壁異物表面形貌見(jiàn)圖7，管內(nèi)異物具體成分見(jiàn)表3。管內(nèi)異物w(O)高達(dá)71.54%，主要成分為氧化物。

圖7 水冷壁管子內(nèi)壁異物表面形貌

表3 水冷壁管內(nèi)壁異物成分分析 %

(表3 續(xù))

對(duì)水冷壁管垢量和污垢成分進(jìn)行進(jìn)一步分析，管樣污垢成分是經(jīng)酸洗后，酸洗液(已扣除管樣和指示片的腐蝕量)中各物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水冷壁污垢成分分析

由表4可知：爐管內(nèi)垢量非常大，達(dá)到極為罕見(jiàn)的1 093.5 g/m2，且垢樣成分單一，98%質(zhì)量分?jǐn)?shù)以上的污垢為Fe2O3。

2 原因分析

金相和硬度結(jié)果表明管子組織和硬度無(wú)異常，化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果表明管子合金元素符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可見(jiàn)鋼管本身無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。機(jī)組在整套啟動(dòng)進(jìn)入168 h滿負(fù)荷試運(yùn)前，垂直水冷壁管、包墻過(guò)熱器管及中隔墻過(guò)熱器管已經(jīng)發(fā)生超溫泄漏和扭曲變形，受熱面管并未經(jīng)歷長(zhǎng)期高溫的汽側(cè)環(huán)境，且運(yùn)行期間管子內(nèi)壁發(fā)生腐蝕的可能性也可以排除。

由此推斷，該批鋼管制造過(guò)程中，在熱處理工藝階段未能有效控制保護(hù)氣體中氧含量，導(dǎo)致該批管子內(nèi)壁生成了較多氧化皮，這批管子成品后又未對(duì)管子內(nèi)壁進(jìn)行徹底的酸洗和氧化皮清除，又被存放了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，被水浸蝕或直接接觸濕度較大的空氣，使得氧化皮和基體之間再次發(fā)生腐蝕，原本致密的氧化皮變得疏松，當(dāng)鍋爐啟動(dòng)后，在較大熱膨脹系數(shù)下，氧化皮開(kāi)始大量剝落，從而導(dǎo)致鍋爐爐管堵塞，最終引起局部水流不暢而過(guò)熱爆管。

3 處理措施

(1) 首先采用直徑約為80%爐管內(nèi)徑的鋼絲繩對(duì)每根爐管內(nèi)部進(jìn)行疏通，將管子內(nèi)壁上的大部分氧化皮去除，再利用高壓水槍(泵出口壓力在80 MPa左右)對(duì)每根管子內(nèi)壁進(jìn)行不間斷地高壓水沖洗，保證管子內(nèi)部暢通。

(2) 針對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)清洗，采用了復(fù)合酸(催化檸檬酸)為介質(zhì)，設(shè)計(jì)了“二步清洗法”進(jìn)行強(qiáng)效化學(xué)清洗。該化學(xué)清洗方法的清洗速率為1.2 g/(m2·h)，經(jīng)過(guò)2次化學(xué)清洗，最終使得管內(nèi)腐蝕產(chǎn)物全部清除，清洗后管內(nèi)表面潔凈，無(wú)沉積和過(guò)洗現(xiàn)象(見(jiàn)圖8)。水冷壁管化學(xué)清洗后，機(jī)組順利通過(guò)168 h試運(yùn)行。

圖8 化學(xué)清洗后監(jiān)視管內(nèi)部情況

4 結(jié)語(yǔ)

建議制造廠嚴(yán)格監(jiān)督15CrMoG鍋爐管制造工藝，設(shè)置有效的保護(hù)氣體，以避免其被氧化生成氧化皮。同時(shí)，15CrMoG管在工廠熱處理后不宜長(zhǎng)期存放，導(dǎo)致原本致密的氧化皮變得疏松，最終造成過(guò)熱爆管。采用“二步清洗法”可有效解決該類(lèi)問(wèn)題。