鍋爐水冷壁管開(kāi)裂原因分析

邵志強(qiáng)

（山西漳電蒲洲熱電有限公司，山西 運(yùn)城 044500）

0 引言

山西漳電蒲洲熱電有限公司3 號(hào)鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、制造的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超臨界350 MW 鍋爐。鍋爐為HG-1205/25.4-YM1 型、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、運(yùn)轉(zhuǎn)層以上露天布置、運(yùn)轉(zhuǎn)層以下緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐，2016 年3 月發(fā)現(xiàn)3 號(hào)鍋爐水冷壁管發(fā)生開(kāi)裂泄漏，泄漏位置為右墻螺旋水冷壁爐前數(shù)第46 根進(jìn)水冷壁中間集箱前彎管處。此處水冷壁管為現(xiàn)場(chǎng)焊接安裝[1]，水冷壁管規(guī)格為d38 mm×6.5 mm，材質(zhì)為15CrMo。為了查明3 號(hào)爐水冷壁開(kāi)裂的原因，對(duì)3 號(hào)爐水冷壁管進(jìn)行失效分析。

1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.1 宏觀形貌觀察

試驗(yàn)管樣為泄漏管樣，其宏觀形貌見(jiàn)圖1~圖2。管樣未見(jiàn)明顯機(jī)械損傷、腐蝕等異常情況；在彎管處有一個(gè)非常明顯的環(huán)向裂紋，由內(nèi)弧面沿兩側(cè)向外弧面擴(kuò)展，長(zhǎng)度約占整個(gè)周長(zhǎng)的4/5。管樣內(nèi)、外弧均可見(jiàn)明顯的火焰切割痕跡。

圖1 泄漏管樣宏觀形貌圖

圖2 彎管部位裂紋形貌圖

1.2 幾何尺寸測(cè)量

對(duì)試驗(yàn)管樣取5 個(gè)截面測(cè)量管樣的外徑及壁厚，測(cè)量位置見(jiàn)圖3，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由測(cè)量結(jié)果可知：管樣外徑及壁厚值正常；管段內(nèi)外弧方向的外徑無(wú)法測(cè)量，由截面3、4 外徑及壁厚值可推斷彎管部位的橢圓度正常。

圖3 測(cè)量位置示意圖

表1 管樣幾何尺寸測(cè)量結(jié)果

1.3 金相分析[2]

對(duì)水冷壁管樣取樣進(jìn)行金相分析，共取3 個(gè)縱向金相試樣和1 個(gè)橫向試樣，取樣說(shuō)明見(jiàn)表2。金相樣經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨、拋光、腐蝕后，再在OLYMPUS GX71 金相顯微鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察。

表2 金相試樣取樣位置

金相分析結(jié)果表明以下幾點(diǎn)。

a） 內(nèi)弧側(cè)裂紋斷口處由于火焰切割損傷外壁，斷口處壁厚約剩余3.5 mm，火焰切割造成的熱影響區(qū)約占剩余壁厚的一半，斷口母材組織為鐵素體+珠光體，晶粒度7 級(jí)，未見(jiàn)球化；內(nèi)壁約0.18 mm 范圍內(nèi)脫碳明顯；斷口斷面不平。

b） 母材上裂紋斷口的斷面不平整，斷口附近有二次裂紋，穿晶擴(kuò)展；斷口處及附近組織均為鐵素體+珠光體+貝氏體，晶粒度7 級(jí)。

c） 裂紋尖端位置內(nèi)壁及壁厚中部存在明顯裂紋，主裂紋附近存在微裂紋，裂紋穿晶擴(kuò)展；斷口處及附近組織均為鐵素體+珠光體+貝氏體，晶粒度7 級(jí)。

d） 母材組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，晶粒度7 級(jí)，焊縫處組織正常。

1.4 硬度試驗(yàn)

在管樣的金相樣上進(jìn)行小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷1 kg，加載時(shí)間15 s，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)管樣直段取環(huán)樣進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷30 kg，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由硬度試驗(yàn)結(jié)果可知：第一，管樣母材硬度值略高于DL/T 438—2009 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)15CrMo 的要求值。第二，焊接熱影響區(qū)及焊縫硬度值正常。第三，彎管段硬度值明顯高于直段，且硬度值遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 金相樣維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

表4 環(huán)樣維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

1.5 拉伸性能試驗(yàn)

從管樣直段上取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)為MTS880 電液伺服試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由試驗(yàn)結(jié)果可知，管樣的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度滿足GB/T 5310—2017 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)15CrMo 鋼管的技術(shù)要求，斷后延伸率低于標(biāo)準(zhǔn)要求。由于管樣為內(nèi)螺紋管，故規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度及斷后延伸率僅供參考。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.6 沖擊性能試驗(yàn)

在JBC-300 型沖擊試驗(yàn)機(jī)上對(duì)取自管樣直段的縱向沖擊試樣進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。由試驗(yàn)結(jié)果可知：管樣室溫下的沖擊吸收能量滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017 對(duì)15CrMo 鋼管的要求。

表6 管樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

1.7 斷口分析

將管樣環(huán)向裂紋打開(kāi)后對(duì)斷口進(jìn)行宏觀觀察，根據(jù)斷口表面擴(kuò)展痕跡判斷源區(qū)位于內(nèi)弧側(cè)外壁與鰭片焊接處，但此處由于火焰切割已被破壞。斷口表面較干凈，不平整，呈顆粒狀。斷口宏觀形貌見(jiàn)圖4。

用Fei Quanta 400HV 型掃描電子顯微鏡對(duì)斷面進(jìn)行觀察分析，斷口靠源區(qū)、斷口外壁、斷口內(nèi)壁均為解理形貌，呈現(xiàn)明顯脆斷特征。

圖4 斷口宏觀形貌圖

1.8 化學(xué)成分分析

對(duì)泄漏管樣取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表7 所示。由分析結(jié)果可知：泄漏管樣的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)15CrMo 鋼管的要求。

表7 管子化學(xué)成分分析結(jié)果

2 綜合分析

3 號(hào)爐水冷壁泄漏管樣幾何尺寸正常，化學(xué)成分、沖擊性能、拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。3 號(hào)爐水冷壁泄漏管樣組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，直管硬度略超標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新鋼管的要求，彎管段裂紋附近母材硬度遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求。斷口分析表明，3號(hào)爐水冷壁泄漏管樣斷口為解理特征，為典型的脆性斷裂。水冷壁與鰭片焊接組織及硬度值正常。

3 號(hào)爐水冷壁管裂紋斷面較干凈，未見(jiàn)明顯氧化產(chǎn)物，說(shuō)明裂紋的產(chǎn)生應(yīng)在鋼管最終熱處理之后；水冷壁管的開(kāi)裂泄漏是在打水壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的，但打水壓所造成的彎管處內(nèi)應(yīng)力不會(huì)使管子環(huán)向開(kāi)裂，因此可判斷水冷壁管環(huán)向裂紋產(chǎn)生的時(shí)間點(diǎn)應(yīng)在制造之后打水壓之前。綜合以上兩點(diǎn)考慮，開(kāi)裂最大可能是在安裝過(guò)程中產(chǎn)生的。由斷口分析可以看到斷口源區(qū)位于管樣內(nèi)弧側(cè)外壁與鰭片焊接處，即管段開(kāi)裂應(yīng)與焊接有關(guān)。管段開(kāi)裂的應(yīng)力來(lái)源應(yīng)為安裝過(guò)程中水冷壁管與鰭片焊接產(chǎn)生的較大拘束應(yīng)力，拘束應(yīng)力的大小與管樣焊接工藝、鰭片焊接順序選擇有關(guān)。由于焊接順序的選擇存在較大偶然性，所以水冷壁彎管裂紋的產(chǎn)生有一定偶然性。

斷口源區(qū)位于管樣內(nèi)弧側(cè)靠外壁與鰭片焊接處，但此處由于火焰切割已被破壞，無(wú)法確認(rèn)管樣是否存在母材原始缺陷或者焊接缺陷。若存在缺陷，則更易萌生裂紋。

綜上所述，3 號(hào)爐水冷管失效型式是大應(yīng)力作用下的脆性開(kāi)裂，開(kāi)裂應(yīng)在安裝過(guò)程中產(chǎn)生，存在一定偶然性。彎管部位硬度高、脆性大對(duì)開(kāi)裂有促進(jìn)作用[3]。

3 結(jié)論

a） 水冷壁開(kāi)裂管樣幾何尺寸正常；化學(xué)成分、母材組織、拉伸性能、沖擊吸收能量均符合GB 5310—2017 標(biāo)準(zhǔn)要求；管樣硬度超出DL/T 438—2009 標(biāo)準(zhǔn)要求的上限。

b） 3 號(hào)爐水冷壁管彎管開(kāi)裂應(yīng)為安裝過(guò)程中產(chǎn)生的，為大應(yīng)力作用下的脆性開(kāi)裂，應(yīng)力來(lái)源為安裝過(guò)程中水冷壁管與鰭片焊接產(chǎn)生的較大拘束應(yīng)力；彎管部位硬度高、脆性大對(duì)開(kāi)裂有促進(jìn)作用。