某電廠水冷壁管泄漏原因分析

王建國, 王智春, 韓哲文, 楊鑫瑩, 宋子博

(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 北京 100045)

某電廠超臨界機(jī)組投入運(yùn)行僅1個月，其鍋爐后墻螺旋水冷壁管即發(fā)生泄漏。泄漏水冷壁管材料為15CrMoG鋼，規(guī)格為φ32 mm×6 mm。鍋爐運(yùn)行記錄顯示，水冷壁管泄漏失效前鍋爐運(yùn)行正常。本次因水冷壁管發(fā)生泄漏失效導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，為找出泄漏原因，筆者對水冷壁管進(jìn)行了檢驗和分析，以期此類事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對泄漏的水冷壁管進(jìn)行宏觀觀察，如圖1 所示，可見泄漏發(fā)生在管子對接焊縫處。水冷壁管向火側(cè)及背火側(cè)對接焊縫處均發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，呈近似直線狀。裂紋已貫穿整個壁厚，由焊縫中部向兩側(cè)熱影響區(qū)擴(kuò)展。向火側(cè)橫向裂紋在外壁側(cè)長約14 mm，在內(nèi)壁側(cè)長約12 mm ，如圖1 b) 所示，兩處裂紋附近無明顯塑性變形。

1.2 化學(xué)成分分析

在泄漏水冷壁管及其焊縫上取樣，對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可見該水冷壁管的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG鋼的成分要求。焊縫金屬中化學(xué)元素含量滿足DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中的技術(shù)要求，但磷、硫元素含量比水冷壁管的母材高。

1.3 金相檢驗

在泄漏水冷壁管母材及焊縫處取樣，對其進(jìn)行金相檢驗，如圖2所示。泄漏管段母材顯微組織為鐵素體+珠光體，球化級別為1級，表明管子未長期超溫運(yùn)行。對其進(jìn)行非金屬夾雜物含量評定，結(jié)果為：硫化物夾雜A類0.5級，球狀氧化物夾雜D類0.5級。焊縫顯微組織為貝氏體，組織正常。

表1 泄漏水冷壁管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the leakage water wall tube (mass fraction) %

圖1 泄漏水冷壁管宏觀形貌Fig.1 Marco morphology of the leakage water wall tube: a) outer wall at the side facing fire; b) inner wall at the side facing fire

圖2 泄漏水冷壁管顯微組織形貌Fig. 2 Micro structure morphology of theleakage water wall tube: a) base metal; b) weld metal

焊縫中存在一處長約4 mm的裂紋，兩端未擴(kuò)展至管子內(nèi)外壁表面。在水冷壁管向火側(cè)泄漏處取樣，對其進(jìn)行金相檢驗，如圖3所示。 可見裂紋周圍分布著多條細(xì)小的微裂紋，所有裂紋均沿晶分布，尖端圓鈍，且內(nèi)部充滿灰色物質(zhì)。

圖3 泄漏水冷壁管焊縫微裂紋處顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of microcracks in weld seam of the leakage water wall tube: a) low magnification; b) high magnification

1.4 力學(xué)性能試驗

在水冷壁管泄漏位置附近的母材上取樣，對其進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果見表2。可見水冷壁管的力學(xué)性能符合GB/T 5310—2017的技術(shù)要求。

表2 泄漏水冷壁管的拉伸試驗結(jié)果Tab.2 Tensile test results of the leakage water wall tube

對泄漏水冷壁管的母材及焊縫進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果見表3?？梢娝浔诠艿哪覆挠捕确螱B/T 5310—2017的技術(shù)要求，焊縫硬度滿足DL/T 869—2012的技術(shù)要求。

表3 泄漏水冷壁管的顯微硬度測試結(jié)果Tab.3 Microhardness test results of the leakage water wall tube HV1

1.5 掃描電鏡及能譜分析

對向火側(cè)焊縫中存在的微裂紋進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析，如圖4所示，能譜(EDS)分析結(jié)果見表4?？梢姾缚p中的微裂紋沿晶分布，裂紋中充滿灰色物質(zhì)。EDS結(jié)果表明該灰色物質(zhì)中含有較高的硫元素。

圖4 微裂紋的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of microcracks

表4 EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.4 EDS analysis results (mass fraction) %

2 分析與討論

泄漏水冷壁管母材的化學(xué)成分、室溫拉伸性能、硬度、非金屬夾雜均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，泄漏水冷壁管母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，球化級別為1級。表明泄漏水冷壁管的材料正常，硬度及顯微組織正常。

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)位于水冷壁管的環(huán)焊縫上，其上有一條近似直線的裂紋，與焊縫垂直，為橫向裂紋。該裂紋已貫穿整個壁厚，由焊縫中部向兩側(cè)熱影響區(qū)擴(kuò)展，裂紋附近無明顯的塑性變形痕跡。微觀分析發(fā)現(xiàn)，焊縫中主裂紋附近存在一條長約4 mm的裂紋，該裂紋中附著大量灰色物質(zhì)，且周圍存在許多微小的沿晶裂紋。SEM及EDS分析表明裂紋中的灰色物質(zhì)硫元素含量較高。該裂紋應(yīng)為焊縫結(jié)晶裂紋，這是焊縫金屬在凝固時，其中的硫、磷、硅等形成的低熔點(diǎn)共晶物在晶界聚集，從而在晶界處形成結(jié)晶微裂紋。高溫運(yùn)行后，管子在環(huán)向上承受的應(yīng)力最大。在內(nèi)壓應(yīng)力及焊接殘余應(yīng)力的作用下，先在結(jié)晶微裂紋處開裂，并與其他微裂紋連接擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊縫位置開裂泄漏。

低合金鋼焊縫中產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因主要有兩個：一是焊材中硫、磷含量較高，焊縫金屬凝固時容易形成低熔點(diǎn)共晶合金，在晶界聚集形成結(jié)晶裂紋；二是焊接時工藝參數(shù)不當(dāng)，熔深比過大也會造成結(jié)晶裂紋[1-7]。

3 結(jié)論及建議

水冷壁管對接焊縫中存在結(jié)晶裂紋，該結(jié)晶裂紋在管子內(nèi)壓應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的作用下不斷擴(kuò)展，形成穿透管壁的橫向裂紋，最終導(dǎo)致水冷壁管泄漏。

建議加強(qiáng)水冷壁管焊接質(zhì)量的控制，制定合適的焊接工藝，防止焊縫中結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生；同時加強(qiáng)監(jiān)督檢驗，及時發(fā)現(xiàn)存在缺陷的焊接接頭，并予以處理。