電站鍋爐水冷壁爆管失效分析

劉鵬 王霄鑫 王巍 李明

摘 要：某電廠1號(hào)鍋爐運(yùn)行25 300h后發(fā)生水冷壁爆管事故。通過宏觀檢測(cè)、金相、斷口SEM和能譜分析，認(rèn)為該水冷壁爆管失效的根本原因是該區(qū)域水冷壁管長(zhǎng)期超溫造成的材質(zhì)劣化，直接原因是啟爐過程中由于升溫過快導(dǎo)致溫差應(yīng)力和短時(shí)過熱。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐;水冷壁管;長(zhǎng)時(shí)過熱;高溫蠕變

中圖分類號(hào)：TM621.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）05-0045-04

Abstract： A water wall tube burst accident occurred after 25 300 hours operation of No. 1 boiler in a power plant. Through macroscopical examination， metallographic examination， fracture SEM and energy spectrum analysis， it was considered that the failure of the water wall tube was due to the deterioration of the material caused by the long-term overheating of the water wall tube in this area， and the direct reason was the temperature differential stress and short-term overheating caused by the excessive heating during the start-up process.

Keywords： power plant boiler;water wall tube;long-term overheating;creep

某公司1號(hào)鍋爐為武漢鍋爐廠制造的WGZ450/13.7-1型電站鍋爐，為單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒、Π型布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。其最大連續(xù)蒸發(fā)量為450t/h，最大允許工作壓力13.7MPa，設(shè)計(jì)出口溫度540℃。1號(hào)鍋爐于2005年7月投產(chǎn)，至事故發(fā)生時(shí)約累計(jì)運(yùn)行25 300h[1]。

在該爐大修結(jié)束的啟爐過程中，標(biāo)高22m前墻水冷壁右側(cè)一管子發(fā)生爆管，導(dǎo)致鍋爐啟動(dòng)失敗，事故造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

1 理化檢測(cè)

1.1 宏觀分析

水冷壁管規(guī)格：Φ60×6.5;材質(zhì)：20G。

爆口附近管子如圖1所示。該段管子存在3處明顯爆口，其中①位置爆口最大，爆口邊緣是鈍邊，并不鋒利;②位置爆口較小，爆口附近有明顯脹粗;③位置爆口尺寸最小，爆口附近有明顯脹粗。三個(gè)爆口附近均有較多平行于爆口的軸向裂紋。

1.2 金相檢測(cè)

在①爆口位置附近取樣進(jìn)行金相檢測(cè)，金相組織如圖2所示。向火側(cè)外表面可見明顯脫碳層，脫碳層厚度約80μm[見圖2（a）]。爆口附近可見淬硬組織，同時(shí)在爆口附近可見沿晶裂紋，其他位置均為魏氏體組織，如圖2所示。爆口①金相檢測(cè)位置在爆口尖端，該處壁厚已經(jīng)很薄，且組織區(qū)別不大，不好區(qū)分向火側(cè)與背火側(cè)，所以筆者未對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。

在②爆口位置附近取樣進(jìn)行金相檢測(cè)，金相組織如圖3所示。金相組織均為珠光體+鐵素體，向火側(cè)金相組織為珠光體+鐵素體，珠光體明顯球化，按照《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T 674—1999）[2]評(píng)為珠光體球化3級(jí);背火側(cè)珠光體未見明顯球化。

1.3 斷口SEM分析

對(duì)爆口斷口進(jìn)行SEM分析，斷口形貌如圖4所示。斷口整體呈韌性斷裂特征，主要形貌為韌窩，管子外表面斷口形貌有局部脆性斷裂特征，部分位置發(fā)現(xiàn)有準(zhǔn)解理形貌。另外，斷口處發(fā)現(xiàn)疑似夾雜物樣物質(zhì)。

1.4 能譜分析

2 分析與討論

從爆口①、②、③的宏觀形貌來看，為長(zhǎng)時(shí)過熱爆管特征，尤其以爆口①較為典型。爆口①為主爆口，其邊緣是鈍邊、不鋒利，爆口附近有明顯脹粗，爆口附近內(nèi)外表面均存在較多平行于爆口的軸向裂紋，爆口附近外表面在厚厚的氧化皮等[2]。爆口②和③雖未完全爆開，但其周圍特征與爆口①類似，可判斷與爆口①的失效模式相同，爆口②和③亦可作為周圍典型特征進(jìn)一步證明爆口①的失效模式。

從金相檢測(cè)結(jié)果來看，爆口②背火側(cè)金相組織正常，而向火側(cè)珠光體3級(jí)球化，說明該處水冷壁管子處于長(zhǎng)期超溫狀態(tài)。長(zhǎng)期過熱爆管的管壁溫度總是大于最高允許工作溫度，小于下臨界點(diǎn)溫度AC1。這時(shí)雖然有組織變化（晶粒長(zhǎng)大、珠光體退化等），鋼材性能降低，但還不會(huì)發(fā)生相變[3]。同時(shí)，爆口①附近發(fā)現(xiàn)的沿晶裂紋是另一個(gè)長(zhǎng)時(shí)過熱的證據(jù)。由于長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，顯微組織隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)而劣化，從而降低了金屬的晶間強(qiáng)度，在晶界上產(chǎn)生微裂紋，并不斷擴(kuò)展。

爆口①附近出現(xiàn)的魏氏體組織則說明該處管子爆口前經(jīng)歷了短時(shí)超溫，管子在嚴(yán)重超溫情況下力學(xué)性能急劇下降，在介質(zhì)壓力的作用下，溫度最高的向火側(cè)首先產(chǎn)生變形，管徑脹粗、管壁變薄，隨后發(fā)生剪切斷裂爆破。因?yàn)槎虝r(shí)過熱爆管溫度高于AC1臨界點(diǎn)，甚至超過AC3臨界點(diǎn)，爆管后附近有典型的過熱組織——魏氏體。

斷口形貌主要表現(xiàn)為韌性斷裂特征，而靠近表面位置為脆性斷裂特征，說明長(zhǎng)時(shí)超溫不是爆口的直接原因，短時(shí)超溫或者啟爐時(shí)產(chǎn)生的溫差應(yīng)力才是直接原因。

能譜分析發(fā)現(xiàn)的一些Al2O3類或硅鋁酸鹽夾雜物，會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生一定的影響。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況可知，該鍋爐啟動(dòng)過程中，由于操作的原因，存在升溫過快的現(xiàn)象。而升溫過快易導(dǎo)致相鄰水冷壁管受熱不均，從而產(chǎn)生溫差應(yīng)力，過大的溫差應(yīng)力甚至能撕裂管子。同時(shí)，由于升溫過快，由水冷壁下集箱向水冷壁管分配的流量可能存在偏差。在此情況下，水冷壁管子的輕微堵塞即可導(dǎo)致過熱失效。

綜上所述，該水冷壁管爆管的根本原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)過熱導(dǎo)致的材質(zhì)劣化，直接原因?yàn)閱t時(shí)升溫過快產(chǎn)生的溫差應(yīng)力和短時(shí)過熱。

3 結(jié)論與建議

該水冷壁管爆管的根本原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)過熱導(dǎo)致的材質(zhì)劣化，直接原因?yàn)閱t過程中升溫過快產(chǎn)生的溫差應(yīng)力和短時(shí)過熱。

建議對(duì)爐膛燃燒器上部（尤其爆口附近）水冷壁壁管加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，對(duì)珠光體嚴(yán)重球化的管段進(jìn)行更換，調(diào)整爐膛內(nèi)燃燒狀況，預(yù)防超溫，同時(shí)在啟爐過程中嚴(yán)格控制升溫速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈美華，祝新偉，潘金平，等.電站鍋爐熱管常見泄漏原因及主要特征[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2013（8）：533-537.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：DL/T 674—1999[S].北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[3]王春昌.水冷壁流量偏差及其超溫爆管[J].熱力發(fā)電，2007（10）：30-32.