流化床鍋爐水冷壁20?G鋼管泄漏的原因分析

南開嶺 包士梅

[摘? ? 要]某流化床鍋爐水冷壁在水壓加壓過程中，發(fā)生鋼管泄漏破裂，材料為20 G。文章對鋼管進行了化學成分分析和金相組織檢驗，確定了鋼管泄漏的原因。由于20 G鋼管表面存在縱向裂紋源，位于縮口時的縮徑處，而二次縮口時未進行消應力熱處理，造成應力集中，與扁鋼焊接時的焊接應力共同導致裂紋擴展，產生穿透性裂紋。此外，20 G鋼管的外表面存在微裂紋，并且在裂紋附近有夾雜物存在，這也為裂紋擴展提供了條件。

[關鍵詞]20 G鋼管;水冷壁;泄漏;裂紋

[中圖分類號]TM621.2;TG115 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）04–00–03

Cause Analysis of Leakage of 20 G Steel Pipe in Water Wall of Fluidized Bed Boiler

Nan kai-ling，Bao Shi-mei

[Abstract]During the process of hydraulic pressurization， the water wall of a fluidized bed boiler leaked and ruptured the steel pipe， and the material was 20 G. In this paper， the chemical composition analysis and metallographic structure inspection of the steel pipe are carried out， and the reason for the leakage of the steel pipe is determined. Since there is a longitudinal crack source on the surface of the 20 G steel pipe， it is located at the reduced diameter during the necking， and the stress relief heat treatment is not performed during the secondary necking， resulting in stress concentration， which together with the welding stress during flat steel welding leads to crack expansion and penetration. Sexual cracks. In addition， there are microcracks on the outer surface of the 20 G steel pipe， and there are inclusions near the cracks， which also provide conditions for crack propagation.

[Keywords]20 G steel pipe; water wall; leakage; crack

水冷壁管是熱電廠鍋爐實現(xiàn)熱量傳遞與交換的核心部件，由于鍋爐運行工況的復雜性，水冷壁管失效的情況較為常見。水冷壁管一旦失效不僅會造成很大的經濟損失，還會引發(fā)嚴重的安全事故[1]。水冷壁制造完成后會在制造廠進行水壓試驗，在電廠現(xiàn)場安裝后系統(tǒng)運行前也會再次進行水壓試驗，因此分析水冷壁管的失效原因并提出有效的預防措施，對保證熱電廠鍋爐的安全運行具有非常重要的意義[2-3]。

某流化床鍋爐中的水冷壁共有14屏，在水壓加壓過程中，后水冷壁中部組件的管屏發(fā)生泄漏，材料為20 G鋼管[4]。泄漏位置位于左數第42根的背火面，破裂的20 G鋼管供貨規(guī)格為，60 mm×8 mm，交貨狀態(tài)為正火態(tài)，正火溫度為900～930 ℃。在水冷壁制造過程中，第一次縮口后進行了消應力熱處理，保溫溫度為620±10 ℃，保溫15 min后空冷，然后再進行第二次縮口，二次縮口后管徑為，51 mm×8.8 mm，未進行消應力熱處理?？s口完成后，將管口處加工至，51 mm×5 mm，并與過渡管進行對接焊，裂紋一端距此環(huán)縫約15 mm左右。

水冷壁管泄漏產生的穿透性縱向裂紋長度約為30 cm，距6 mm厚的15 CrMo扁鋼縱縫約0～5 mm，如圖1所示。在破裂的斷口處，可明顯觀察到鋼管表面存在一處平行于軸向的縱向裂紋源，位于縮口時的縮頸處，長度約為10 mm，深度約為1.5 mm?？拷缚p側裂紋源處的斷口顏色發(fā)藍，另一側顏色正常。

1 試驗內容

此次發(fā)生泄漏的管屏采用的是定尺長度為8 m、爐批號為M-16-AA199的20 G鋼管制造，鋼管供方按GB/T 5310的規(guī)定進行了水壓試驗。泄漏發(fā)生后，除了核查質量證明書中的化學成分、力學性能、工藝性能和金相檢驗等結果外，還對發(fā)生泄漏的20 G鋼管進行了化學成分進行了復驗，并進行了金相檢驗。

1.1 化學成分

經核查鋼管質量證明書中的化學成分數據，并對發(fā)生泄漏的鋼管進行化學成分分析，各元素含量均滿足采購技術條件的要求，見表1。

1.2 力學性能和工藝性能

經核查鋼管質量證明書中的力學性能和工藝性能試驗數據，并隨機抽取與泄漏鋼管同爐批號的一根鋼管進行力學性能和工藝性能復驗，結果均滿足采購技術條件的要求，見表2。

1.3 金相檢驗

鋼管質量證明書結果顯示，發(fā)生泄漏的鋼管金相組織是鐵素體+珠光體（F+P），內外表面脫碳層不明顯，晶粒度為7.0級，滿足采購技術條件的要求。1A668EB1-A3B5-4549-B4B8-2FBAEDD7664A

對發(fā)生泄漏的20 G鋼管母材進行金相組織檢驗，顯示為鐵素體+珠光體（F+P）[5]，同時發(fā)現(xiàn)管子外表面存在向內表面延伸的微裂紋，如圖2所示。管壁內外表面脫碳層不明顯，晶粒度為6.0～7.0級，同時存在少量夾雜物，其中硫化物為2.0級，點狀氧化物為1.0級。

在穿透性裂紋的斷口處截取試樣進行觀察，如圖3和圖4所示。斷口處存在一處由外壁向內壁擴展的微裂紋，圖3是未經腐蝕的金相照片，腐蝕后的金相組織見圖4，可看到裂紋為穿晶裂紋[6]。

2 分析與討論

（1）通過觀察斷口表面，發(fā)現(xiàn)靠近焊縫側的斷口顏色發(fā)藍，另一側顏色正常，說明穿透性裂紋在焊接過程中已經產生。由于縮頸處外表面存在長約10 mm、深約1.5 mm縱向裂紋源，且在第二次縮口時沒有進行消應力熱處理，從而造成應力集中[7]。由于焊接時溫度較高，使得靠近焊縫側的斷口顏色發(fā)藍，并由鋼管外表面裂紋源處起裂，沿管子壁厚向內表面擴展，造成穿透性裂紋。

（2）鋼管供方在交貨前按GB/T 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規(guī)定對20G鋼管進行了水壓試驗。試驗壓力為20 MPa，但由于水冷壁管在設備制造過程中已產生穿透性裂紋，導致鋼管致密性和承壓能力下降。在水冷壁水壓試驗加壓過程中，裂紋沿鋼管的軋制方向向兩側擴展，向上擴展至到縮口的上部，向下擴展至距離環(huán)縫15 mm左右處，造成30 cm長的穿透性裂紋。

（3）通過對20 G鋼管進行檢驗，表明其外表面存在向內壁延伸的縱向微裂紋。該類缺陷在冷縮管的焊接過程中極易造成裂紋擴展，存在嚴重的質量隱患。按照標準和采購技術條件的規(guī)定，供方應對鋼管逐支進行超聲檢測和渦流檢測，一般均可發(fā)現(xiàn)此類缺陷，且質量證明書顯示無損檢測結果滿足采購技術條件的要求，因此外表面縱向微裂紋的存在說明供方在無損檢測時未嚴格把關。

3 結論及建議

（1）供貨狀態(tài)的20 G鋼管外表面已存在縱向裂紋源，由于在第二次縮口后未進行消應力熱處理，造成應力集中，導致與扁鋼焊接時裂紋源向鋼管內表面擴展，產生穿透性裂紋。在水冷壁水壓試驗加壓過程中，穿透性裂紋沿鋼管的軋制方向向兩側擴展，造成爐流化床鍋爐水冷壁管泄漏。

（2）在后續(xù)工作中，應結合材料特性和服役環(huán)境優(yōu)化制造工藝，盡量避免因冷變形、焊接等工藝過程造成應力集中、裂紋擴展等質量缺陷。

（3）在原材料采購過程中，應加強對供方制造、試驗和檢驗等流程的質量管控，從人、機、料、法、環(huán)全面規(guī)范管理和監(jiān)督，必要時對原材料進行理化性能和無損檢測的入廠復驗，降低質量風險[9]。

參考文獻

[1] 韓志遠.某熱電廠600 MW鍋爐水冷壁管開裂原因[J].理化檢驗（物理分冊），2021，57（2）：60-62.

[2] 盧如意.電站鍋爐水冷壁管的疲勞失效分析[D].西安：西安工業(yè)大學，2018

[3] 任凱.電廠水冷壁管爆裂失效分析[J].理化檢驗（物理分冊），2019，54（9）：689-691.

[4] 范志強，高德平，覃志賢，等.20號鋼的沖擊拉伸力學性能實驗研究[J].燃氣渦輪實驗與研究，2006，19（4）：35-37.

[5] 李鵬剛.某電廠水冷壁爆管原因分析及建議[J].電工技術，2020（9）：155-156，158.

[6] 張鵬鵬，姜勇，張良杰，等.20G鋼鍋爐水冷壁管爆管原因分析[J].熱加工工藝，2022，21（4）：159-162.

[7] 吳海青.20 G變徑管接頭裂紋分析與研究[J].機械工程與自動化，2020（6）：136-137.

[8] 左國鋒，彭先明.20 G鍋爐管拔口開裂原因分析[J].鍋爐技術，2021，52（5）：51-55.

[9] 王悅謝小娟郭佳鑫等.鍋爐水冷壁爆管原因分析及措施探討[J].廣東化工，2022（4）：175-177，203.1A668EB1-A3B5-4549-B4B8-2FBAEDD7664A