600 MW超臨界鍋爐水冷壁管爆管原因分析

周公文*

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 引言

2020 年，某600 MW 燃煤鍋爐運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)標(biāo)高28 m 的某轉(zhuǎn)角處存在蒸汽泄漏現(xiàn)象，停機(jī)檢查后發(fā)現(xiàn)此處水冷壁管發(fā)生爆管泄漏。該水冷壁爆口附近的周界風(fēng)風(fēng)箱上存在一處泄漏點(diǎn)，泄漏點(diǎn)正對(duì)著該水冷壁管爆口處。水冷壁管材質(zhì)為15CrMoG，規(guī)格為38 mm×6 mm，Cr 元素可與氧在鋼表面結(jié)合，形成致密的Cr2O3防護(hù)層，阻礙氧原子向鋼中進(jìn)一步擴(kuò)散，提高鋼的抗氧化性能。Mo 元素在鋼中起到固溶強(qiáng)化作用，可提高鋼的室溫、中溫強(qiáng)度和蠕變、持久強(qiáng)度，同時(shí)還可抑制鋼的熱脆性和回火脆性。因此，15CrMoG 低合金耐熱鋼具有良好的熱強(qiáng)性和組織穩(wěn)定性，在520 ℃以下具有較好的持久強(qiáng)度和抗氧化性能，可適用于金屬壁溫在520 ℃及以下的蒸汽管道、集箱，或550 ℃以下的受熱面管。15CrMoG 鋼管供貨狀態(tài)應(yīng)是正火+回火，金相組織應(yīng)為鐵素體+珠光體（或存在少量貝氏體），屬珠光體型低合金耐熱鋼材料。

本文通過(guò)宏觀檢查、化學(xué)成分分析、金相組織檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn)，分析了該水冷壁管發(fā)生爆管泄漏的主要原因，結(jié)合水冷壁管運(yùn)行工況，找出水冷壁管發(fā)生局部區(qū)域嚴(yán)重減薄的原因，并給出相應(yīng)的處理建議。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)儀器

對(duì)水冷壁管爆口部位進(jìn)行宏觀檢查，并利用X射線熒光光譜儀復(fù)核水冷壁管的化學(xué)成分，在爆口位置取樣，經(jīng)磨制拋光后，利用4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下周）硝酸酒精溶液浸蝕，采用PTI-5000 型金相顯微鏡觀測(cè)爆口金相組織形態(tài)，利用HBE-3000A 型臺(tái)式布氏硬度計(jì)，在187.5 kg 載荷作用下，加載時(shí)間為10 s，對(duì)金相試樣表面進(jìn)行硬度試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 宏觀檢查

處，根據(jù)爆口表面特征推測(cè)該水冷壁管爆管原因?yàn)橹芙顼L(fēng)風(fēng)箱泄漏點(diǎn)長(zhǎng)期漏風(fēng)直吹水冷壁管，造成水冷壁管局部區(qū)域壁厚嚴(yán)重減薄，當(dāng)剩余壁厚不能滿足管內(nèi)承載介質(zhì)壓力時(shí)管道發(fā)生縱向撕裂。

2.2 化學(xué)成分分析

利用便攜式X 射線熒光光譜儀對(duì)該水冷壁管進(jìn)行光譜復(fù)核，以確定水冷壁管材質(zhì)是否存在錯(cuò)用問(wèn)題。表1 為該水冷壁管的化學(xué)元素成分，檢驗(yàn)結(jié)果表明，該水冷壁管合金元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，元素含量未見(jiàn)異常。

表1 水冷壁管化學(xué)成分（原子數(shù)量百分比） %

2.3 金相組織檢驗(yàn)

對(duì)水冷壁管爆口部位進(jìn)行線切割取樣〔如圖1 b）標(biāo)識(shí)線位置處〕，試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光后，利用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，圖2 為該水冷壁管的金相組織形貌。檢驗(yàn)結(jié)果表明，水冷壁管減薄面較為平整，表面未見(jiàn)氧化皮及其他異常組織存在，減薄面及爆口處組織為鐵素體+珠光體，珠光體區(qū)域完整，未見(jiàn)明顯球化現(xiàn)象，內(nèi)壁部分區(qū)域存在少量較淺凹坑，管內(nèi)壁、外壁及減薄面處均未見(jiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象。

圖1 水冷壁管爆口處宏觀形貌

圖2 水冷壁管的金相組織形貌

2.4 硬度檢驗(yàn)

采用HBE-3000A 布氏硬度計(jì)，對(duì)金相試樣進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：水冷壁管爆口處硬度值和基體硬度值相當(dāng)，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度值未見(jiàn)異常，如表2 所示。

表2 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

水冷壁管爆口位置處管壁減薄嚴(yán)重，減薄深度接近管道壁厚。減薄面平整，未見(jiàn)明顯氧化皮、腐蝕產(chǎn)物及其他異常組織。爆口處及減薄處金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體未見(jiàn)明顯球化現(xiàn)象，硬度值也未見(jiàn)明顯異常。該水冷壁管發(fā)生爆管的原因?yàn)楣鼙诰植繀^(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的壁厚減薄現(xiàn)象，當(dāng)減薄量接近管壁厚度時(shí)，剩余壁厚不能滿足管內(nèi)介質(zhì)運(yùn)行壓力需求，在壁厚最薄部位發(fā)生韌性開(kāi)裂。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，發(fā)生泄漏的水冷壁管附近周界風(fēng)風(fēng)箱存在泄漏點(diǎn)，泄漏點(diǎn)吹出的周界風(fēng)長(zhǎng)期直吹水冷壁管，造成管壁外表面金屬損失嚴(yán)重，當(dāng)剩余管壁減薄至不能承載管內(nèi)高壓蒸汽時(shí)，在減薄最嚴(yán)重部位發(fā)生縱向開(kāi)裂。

3 結(jié)論

超臨界鍋爐為了確保煤粉充分燃燒，基本采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，煤粉燃燒器將燃燒用空氣分為一次風(fēng)、周界風(fēng)（或稱二次風(fēng)）和中心風(fēng)等。煤粉及一次風(fēng)經(jīng)煤粉管道、燃燒器一次風(fēng)管、煤粉濃縮器噴入鍋爐爐膛進(jìn)行燃燒，在燃燒器的一次風(fēng)噴口周?chē)ǔ２贾弥芙顼L(fēng)（或稱二次風(fēng)），可冷卻一次風(fēng)噴口，防止噴口燒壞或變形，同時(shí)利于煤粉火焰燃燒穩(wěn)定和煤粉的完全燃燒，增加一次風(fēng)氣流剛度，防止氣流偏斜。一次風(fēng)及周界風(fēng)的風(fēng)溫嚴(yán)重影響煤粉燃燒速度及燃燒熱量，通過(guò)提高煤粉氣流溫度和空氣溫度可提高燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性，大型火力電站鍋爐煤粉氣流溫度一般為300 ℃左右，風(fēng)溫溫度一般為350～420 ℃，一次風(fēng)速一般為20 m/s。從風(fēng)箱泄漏的高溫周界風(fēng)在高流速狀態(tài)下直吹水冷壁管，造成金屬管壁嚴(yán)重減薄，從而引發(fā)水冷壁爆管。

該水冷壁管發(fā)生縱向開(kāi)裂的原因是受臨近周界風(fēng)風(fēng)箱漏風(fēng)點(diǎn)的長(zhǎng)期吹蝕造成表面局部區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重減薄，當(dāng)剩余壁厚不能滿足承載蒸汽壓力要求時(shí)在最大拉應(yīng)力的縱向部位發(fā)生開(kāi)裂。建議在定期檢驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)檢查水冷壁管火焰噴嘴處、送風(fēng)處及折焰角等易發(fā)生水冷壁管沖刷磨損位置，對(duì)可能接觸沖刷的水冷壁管區(qū)域進(jìn)行必要的防護(hù)處理，確保鍋爐安全運(yùn)行。