超臨界鍋爐水冷壁管泄漏原因分析

蘇州熱工研究院有限公司 傅恩敏 劉獻良 陳雙全 彭學文

某電站鍋爐為日本三菱重工制造的600MW 超臨界直流鍋爐，采用雙切圓燃燒、固態(tài)出渣、一次中間再熱、平衡通風、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)π 型布置。2020年3月鍋爐折煙角位置水冷壁發(fā)生泄漏事故，泄漏位置位于折焰角斜坡與水平段相連的彎頭部位（圖1）。該部位水冷壁管設(shè)計材質(zhì)為ASME SA-213 T12，設(shè)計規(guī)格φ28.6×5.6mm，設(shè)計溫度505℃，最高允許壓力33.4MPa。該鍋爐自2002年11月運行投產(chǎn)，至泄漏事件發(fā)生累計運行約11.5萬小時。經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)泄漏位置附近區(qū)域存在明顯的起伏變形現(xiàn)象（圖2），最大變形量約65mm，且該區(qū)域存在3處水冷壁鰭片裂紋，裂紋長度均有1.4米。為查找水冷壁管的泄漏原因以防止類似事件重發(fā)，對泄漏水冷壁管割管取樣進行了試驗分析。

1 理化檢驗

宏觀檢查。見圖3，泄漏位置位于水平段和斜坡段連接的彎管向火面管子與鰭片連接的縱焊縫熔合區(qū)，呈狹窄的縱向長裂口，裂口長度約700㎜。裂口位置管段未見明顯的脹粗或減薄，裂口邊緣呈鈍邊。管子開裂后對周邊管段造成了吹損。

圖1 泄漏位置示意圖

圖2 起伏變形照片

圖3 泄漏位置宏觀照片

化學成分分析。泄漏管段取樣化學成分與標準值結(jié)果（wt%）分別為：C。0.12、0.05～0.15；Si。0.15、≤0.50；Mn。0.53、0.30～0.61；P。0.009、≤0.025；S。0.003、≤0.015；Cr。0.89、0.80～1.25；Mo。0.54、0.44～0.65，其成分符合ASME SA-213對T12鋼管化學成分要求。

力學性能測試。表1、表2為分別泄漏管取樣拉伸性能及硬度測試結(jié)果，表中同時列出了ASME 對SA-213 T12鋼管室溫及高溫（400℃）拉伸性能、硬度要求。結(jié)果可見，其室溫及高溫（400℃）拉伸性能和硬度值均滿足上述標準要求。

表1 拉伸性能檢測結(jié)果

表2 硬度測試結(jié)果

金相檢驗。圖4、5為泄漏管取樣金相檢驗照片，泄漏位置向火面和背火面組織均為鐵素體+珠光體，組織球化級別較為輕微，參考DL/T 787-2001《火電廠用15CrMo 鋼珠光體球化評級標準》，其球化級別均屬于2級（傾向性球化）；裂口截面取樣（圖6）顯示裂口表面有較厚的氧化皮覆蓋，裂口邊緣晶粒無明顯的塑性變形。在裂口一端取樣（圖7）可看到裂紋從熔合區(qū)啟裂，向管子內(nèi)壁側(cè)擴展。在泄漏管的另一側(cè)鰭片焊縫熔合區(qū)（圖8）以及臨近管段的鰭片焊縫熔合區(qū)（圖9）也都發(fā)現(xiàn)有從焊縫熔合區(qū)向管子內(nèi)壁擴展的微裂紋。上述裂紋形態(tài)基本相同，裂紋平直呈穿晶斷裂，裂紋內(nèi)部充滿氧化皮。

圖4 ～9 金相照片

斷口分析。圖10為斷口取樣掃描電鏡下的微觀形貌?？煽闯鰯嗫诒砻孑^為平整，無明顯塑性變形，斷口表面被氧化物所覆蓋，斷口原始微觀形貌難于觀察。

圖10 斷口表面SEM 形貌

2 泄漏原因分析

泄漏管段化學成分、力學性能均滿足相關(guān)標準要求，可排除材質(zhì)不合格導(dǎo)致泄漏的可能。管段各不同位置取樣向火面和背火面金相組織為鐵素體+珠光體，組織僅出現(xiàn)輕度的珠光體球化，表明管段不存在長時過熱[1]。泄漏位置管段無明顯的脹粗或減薄，泄漏口呈狹窄的裂縫，裂縫邊緣壁呈鈍邊，該特征不符合短時過熱爆管的特征[2]，因此也可排除短時過熱爆管的可能。泄漏位置除有氧化皮外，裂口表面及附近管壁未見有異常的腐蝕痕跡，可排除腐蝕泄漏的可能。對泄漏位置宏觀檢查也未發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀焊接缺陷，且管子運行時間較長，因此也基本可以排除焊接的因素。

Cr-Mo 鋼本身具有一定的再熱裂紋傾向[3]，再熱裂紋往往沿焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)呈沿晶擴展，裂紋走向較為曲折[4]。金相檢驗時發(fā)現(xiàn)，泄漏管裂紋一端部取樣、泄漏管另一側(cè)鰭片焊縫取樣，以及與泄漏管相鄰的管子鰭片焊縫取樣均存在裂紋，裂紋較為平直，呈穿晶擴展。上述裂紋特征不符合再熱裂紋的典型特征，且熱影響區(qū)粗晶區(qū)也未發(fā)現(xiàn)粗大的淬硬馬氏體，因此也可排除再熱裂紋導(dǎo)致泄漏的可能。

泄漏位置的斷面較為平整，無明顯的塑性變形；泄漏位置附近的鰭片與母材焊接熔合區(qū)及熱影響區(qū)裂紋均為穿晶裂紋，裂紋在焊縫表面應(yīng)力相對集中的熔合區(qū)啟裂，向管子內(nèi)壁側(cè)擴展且裂紋整體較為平直。上述特征與疲勞斷裂的典型特征較為相符[5]，但斷口表面在高溫下氧化嚴重，未能觀察到與疲勞相關(guān)的疲勞條帶等微觀特征。初步判定管段的開裂性質(zhì)可能為疲勞開裂。

本次泄漏位置處于爐膛出口處，而爐膛出口處往往存在煙氣旋轉(zhuǎn)殘余導(dǎo)致各管屏間煙氣溫度和煙氣流速分布不均現(xiàn)象[6]。這種溫度場的波動溫差與管內(nèi)介質(zhì)流量不匹配的情況下以及相鄰管子溫度梯度過大時，會對水冷壁管排產(chǎn)生附加熱應(yīng)力，尤其是在低負荷工況下管內(nèi)介質(zhì)流量不足帶來的溫差應(yīng)力更為明顯。同時，管屏之間由于受熱不均而導(dǎo)致膨脹量不同也會引起管屏間的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，該區(qū)域水冷壁管存在明顯起伏變形就是佐證。同時在運行過程中隨爐膛溫度的變化管子本身金屬壁溫也會出現(xiàn)交替變化，特別是在鍋爐啟停階段這種變化更為明顯。水冷壁管鰭片焊縫正是長期在上述熱應(yīng)力和附加的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的綜合作用下引起塑性變形的累積損傷而產(chǎn)生疲勞裂紋。

綜上分析認為，本次泄漏管段沿母管與焊縫熔合區(qū)發(fā)生的縱向長裂口是因水冷壁管存在長期的熱應(yīng)力和附加的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的綜合作用下產(chǎn)生的疲勞開裂。此外該水冷壁管徑較小，鰭片較窄，兩者焊接時難免存在局部焊接成型不良、圓滑過渡不佳等情況，也是加劇應(yīng)力集中的因素之一。

3 結(jié)論及措施

通過上述理化性能檢驗及綜合分析看出：泄漏水冷壁管化學成分及力學性能等材質(zhì)質(zhì)量符合標準要求，管子也不存在長時過熱、短時過熱或外壁高溫腐蝕的情況；水冷壁管的泄漏原因為長期的溫度不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力和附加結(jié)構(gòu)應(yīng)力綜合應(yīng)力作用下引起的焊接熔合區(qū)的疲勞開裂，鰭片與母管焊接熔合區(qū)過渡不圓滑也促進了疲勞裂紋的形成和擴展。根據(jù)以上分析結(jié)論可采取以下措施以防止事件重發(fā)：總結(jié)在啟停階段和低負荷工況下管壁溫度偏差規(guī)律，逐漸摸索出相應(yīng)調(diào)整方法。同時嚴控超溫超壓運行，運行中如出現(xiàn)超溫超壓現(xiàn)象及時做好記錄，以便為事故分析提供可靠的原始依據(jù)；后續(xù)加強對該區(qū)域水冷壁管鰭片焊縫的檢查力度，對該區(qū)域的鰭片焊縫全部進行磁粉檢測，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)裂紋立即更換處理。