鍋爐水冷壁用內(nèi)螺紋管泄漏原因分析

張 虔，龔 巍

（1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司)，黑龍江 哈爾濱 150046）

某電廠2#爐為660MW超超臨界清潔高效燃煤發(fā)電機(jī)組，在機(jī)組運(yùn)行期間其水冷壁用內(nèi)螺紋管爆管發(fā)生泄漏，運(yùn)行時(shí)間累計(jì)約為1440小時(shí)。泄漏樣管的宏觀全貌如如圖1所示，管子的材質(zhì)為15CrMoG，規(guī)格為Φ28.6mm×6.2mm。為了查明鍋爐水冷器用15CrMoG內(nèi)螺紋鋼管發(fā)生泄漏的原因，提高鍋爐機(jī)組的安全可靠性，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析[1，2]。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

將該水冷壁泄漏管段進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，其宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知，爆口呈魚嘴狀，表面粗糙且有較厚的氧化層，爆口右側(cè)有鼓包，爆口邊緣較粗糙并不鋒利，邊緣最薄處約為3.82mm，管徑有明顯的脹粗痕跡，其宏觀形貌具有過熱爆管的特征。

1.2 幾何尺寸測(cè)量

對(duì)泄漏樣管進(jìn)行幾何尺寸測(cè)量，測(cè)量泄漏樣管不同位置處最大管徑，測(cè)量位置如圖2，所示，測(cè)量結(jié)果如表1所示。由測(cè)量結(jié)果可知，遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)處的管段未見脹粗。

圖1 泄漏樣管外徑的測(cè)量位置

表1 15CrMoG泄漏樣管不同位置處外徑的測(cè)量值(mm)

1.3 化學(xué)成分分析

采用OBLF QSN-750型直讀光譜儀對(duì)泄漏樣管段進(jìn)行化學(xué)成分分析，由表2可知，該管段的各元素含量均滿足GB/T5310-2017鋼化學(xué)成分的技術(shù)要求，可排除泄漏管段材料用錯(cuò)的可能性。

表2 15CrMoG泄漏管段化學(xué)成分分析(wt%)

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

在15CrMoG泄漏管段取樣，取樣位置為圖2中的3號(hào)與4號(hào)位置，按GB/T231.1-2009進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果如下表3所示，可見該泄漏管段的硬度試驗(yàn)仍滿足GB/T0-2017的技術(shù)要求。

1.5 金相檢驗(yàn)

在泄漏管段的爆口處、遠(yuǎn)離爆口50mm處和遠(yuǎn)離爆口110mm處的向火側(cè)與背火側(cè)分別切取金相試樣(取樣位置為如圖2中1號(hào)至3號(hào)位置和1’號(hào)至3’號(hào)位置)，試樣經(jīng)過磨制、拋光處理后，用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行化學(xué)浸蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察其微觀組織形貌(如圖2所示)。由圖2可知，泄漏樣管爆口處與遠(yuǎn)離爆口的金相組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，未見明顯的球化現(xiàn)象，晶粒度約為8.0級(jí)。

2 分析與討論

由宏觀檢測(cè)與幾何尺寸測(cè)量可知，泄漏管段爆口呈魚嘴狀，邊緣較粗糙并不鋒利，邊緣壁厚最薄處僅為3.82mm，爆口處與遠(yuǎn)離爆口處的外徑最大脹粗率分別約為27.55%與6.64%，爆口附近外表面有明顯的平行于管軸線的宏觀蠕變裂紋等情況，具有過熱爆管的宏觀形貌特征。

由宏觀檢測(cè)可知，管子外壁氧化層較厚，測(cè)定其最深處達(dá)0.13mm。眾所周知，鐵與氧可形成一系列的氧化物FeO、Fe2O3和Fe3O4，其中FeO層的抗氧化能力較差，F(xiàn)e2O3和Fe3O4是復(fù)雜的尖晶石型結(jié)構(gòu)，這種氧化膜的擴(kuò)散速度很小，氧化過程不易進(jìn)行。鐵與氧所形成的結(jié)構(gòu)與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度在570℃以下(15CrMoG的極限使用溫度為550℃)時(shí)所形成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4所組成，而當(dāng)溫度高于570℃時(shí)氧化膜由Fe2O3+Fe3O4+FeO三層氧化物所組成，其厚度比例分別為1：10：100。由此表明：這時(shí)氧化膜中FeO是占主要的地位，金屬原子容易通氧化膜，其擴(kuò)散速度較快，故氧化速度也顯著增加。

圖2 泄漏樣管爆口處與遠(yuǎn)離爆口處的微觀組織形貌

據(jù)介紹該爐共運(yùn)行了兩個(gè)月，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約1440小時(shí)左右，出現(xiàn)如此之漲粗及氧化層，說明該水冷壁管運(yùn)行中超溫。超溫運(yùn)行使材料的強(qiáng)度降低，塑性增加，因此管徑明顯漲粗，壁厚減薄。當(dāng)管材所承受的應(yīng)力局部超過該材料所能承受的壓力時(shí)，便發(fā)生爆管。

綜上所述，該水冷壁用15CrMoG鋼管在運(yùn)行期間發(fā)生超溫，導(dǎo)致材料的高溫屈服強(qiáng)度、蠕變斷裂強(qiáng)度等下降，蠕變速率加快，并萌生蠕變裂紋，管壁無法承受管內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力，最終導(dǎo)致管子發(fā)生泄漏。

3 結(jié)論及建議

該鍋爐水冷壁管泄漏原因是由于在鍋爐機(jī)組運(yùn)行期間，水冷壁管子處于超溫運(yùn)行狀態(tài)，使得材料的高溫屈服強(qiáng)度、蠕變斷裂強(qiáng)度等下降，蠕變速率加快，并萌生蠕變裂紋，管壁無法承受管內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力，最終導(dǎo)致管子發(fā)生泄漏。