鍋爐管典型失效案例及其分析

毛長軍，嚴 偉，譚舒平

（盛德鑫泰新材料股份有限公司，江蘇 常州 213144）

目前我國燃煤火力發(fā)電容量占全國總裝機容量的50%左右，燃煤火力發(fā)電量占全國總發(fā)電量的70%以上[1]。對燃煤火力發(fā)電，鍋爐是非常重要的設備之一，也是電站實現(xiàn)穩(wěn)定運營的重要基礎保障。鍋爐結構復雜，服役環(huán)境極為嚴苛，長期高負荷運行，極易出現(xiàn)故障和損壞，引起機組非計劃停機，甚至發(fā)生爆炸事故，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員的傷亡[2-4]。

因此，如何有效消除這些影響機組安全運行的隱患，降低事故發(fā)生概率，保障機組安全高效地運行就顯得至關重要?，F(xiàn)以電廠實際運行中出現(xiàn)的鍋爐質(zhì)量問題為背景，列舉了鍋爐管原材料缺陷、制造缺陷以及服役環(huán)境等引發(fā)的典型失效案例，并進行檢驗分析，提出針對性預防措施，以供相關技術人員參考。

1 鍋爐管原材料缺陷及典型失效案例

1.1 鋼管外表面裂紋

某電廠1 號爐在吹管過程中發(fā)生爐左側省煤器泄漏，停爐檢查發(fā)現(xiàn)省煤器有一根SA-210C 鋼管靠近焊口處存在裂紋，裂紋長度約60 mm，裂紋宏觀形貌和顯微組織如圖1 所示。從圖1 看出，裂紋起始于管材外表面，向內(nèi)表面呈楔形擴展（圖1b）[5-6]；裂紋末端圓鈍，內(nèi)部充滿氧化產(chǎn)物，裂紋附近組織為鐵素體+珠光體（圖1c），裂紋邊緣存在脫碳現(xiàn)象。綜合分析判斷，此為原材料原始裂紋缺陷。

圖1 SA-210C 管材裂紋宏觀形貌和顯微組織

1.2 鋼管彎頭內(nèi)表面裂紋

某電廠2 號爐進行水壓試驗，在壓力升至4.5 MPa 時，省煤器蛇形管2 根彎頭發(fā)生泄漏，其中1根彎頭的彎曲角度90°（圖2a），另一根彎頭的彎曲角度180°（圖2b）。發(fā)生泄漏的這2 根彎管的材質(zhì)均為20G，規(guī)格為Φ32 mm×4 mm。觀察發(fā)現(xiàn)，這2 根彎頭的泄漏處各存在1 條較直的縱向裂紋，2條裂紋均位于彎頭外彎處。

圖2 20G 彎管處裂紋的宏觀形貌

上述20G 彎管的顯微組織和缺陷處形貌如圖3所示。母材組織為鐵素體+珠光體，組織正常（圖3a）；裂紋中存在高溫氧化物（圖3b～c）[7-8]。彎頭未投入運行，且彎管時無受熱過程，說明彎管前原材料管存在裂紋。彎管過程中，管材原始裂紋缺陷恰好處于彎制變形最大位置，進而發(fā)生縱向開裂。

圖3 20G 彎管顯微組織和缺陷處形貌

1.3 鋼管原材料分層

某電廠1 號爐發(fā)生爆管事故，爆管時鍋爐運行約1000 h。第一個爆口位于出口段頂棚往下約2.2 m 處，管子TP347H，Φ44.5 mm×9.5 mm（1 號管）；第二個爆口位于入口段頂棚往下2.3 m 處，管子TP347H，Φ54 mm×9.5 mm（2 號管），如圖4 所示。分析認為，此次事故是1 號管原材料上存在分層缺陷導致爆管[9-10]，且離爆口越近處分層越嚴重，說明1 號管爆口處的分層裂縫間隙最大，此處為管材最薄弱處，故在此發(fā)生爆管。2 號管爆管應為1 號管吹損導致的爆管，2 號管組織形態(tài)正常。TP347H 管材爆口周邊的顯微組織如圖5 所示。

圖4 TP347H 管材爆口處分層現(xiàn)象的宏觀形貌

圖5 TP347H 管材爆口周邊的顯微組織

2 鍋爐部件制造缺陷及典型失效案例

2.1 焊接成型不良

某電廠3 號爐H 型鰭片省煤器管材焊接接頭發(fā)生泄漏，管材材質(zhì)為20G，泄漏點的宏觀形貌如圖6 所示。發(fā)生泄漏的焊接接頭為手工焊接接頭，焊接時存在錯邊（圖6c），在焊縫根部存在咬邊缺陷（圖6d）[11-12]。泄漏孔處存在1.6 mm 錯邊，內(nèi)壁有焊肉剝落，說明打底焊道很淺或打底焊沒有焊上。泄漏孔處一側焊縫余高不足（小于1 mm），另一側焊縫余高較大（超過5 mm），泄漏孔位于焊肉高低落差最大處。綜合分析認為，發(fā)生泄漏是由于打底焊縫成型差，致使焊縫根部存在咬邊缺陷造成的。

圖6 20G 管材焊接接頭泄漏點的宏觀形貌

2.2 焊接接頭內(nèi)部缺陷

某電廠1 號爐在運行過程中，省煤器出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，停爐檢查發(fā)現(xiàn)兩根漏水管存在大小不一的孔洞，管材材質(zhì)為20G，規(guī)格為Φ42 mm×3.5 mm，3號管孔洞尺寸約為Φ10 mm，4 號管孔洞尺寸約為Φ3 mm。20G 管材孔洞處的宏觀形貌和顯微組織如圖7 所示。4 號管孔洞周圍的金相組織為魏氏組織；宏觀觀察發(fā)現(xiàn)該孔洞區(qū)域有切割和打磨痕跡，推斷該位置上原有焊柱，焊柱在返修過程中被切掉，并經(jīng)打磨處理。初步判定，該20G 管材上存在的孔洞缺陷應屬于焊縫金屬內(nèi)部缺陷，為焊接過程中形成的貫穿型氣孔。

圖7 20G 管材孔洞處的宏觀形貌和顯微組織

據(jù)后續(xù)調(diào)查，4 號管位于第55 屏，泄漏點位于焊點區(qū)域。鍋爐運行時省煤器標高約為19 m 位置的管內(nèi)水壓大約為1.0 MPa，周圍環(huán)境溫度約為300 ℃，該4 號管泄漏后，水柱噴到第53 屏的3號管上，由于高溫及高壓的作用，導致3 號管發(fā)生磨損，最后3 號管管壁嚴重減薄，產(chǎn)生較大的孔洞。

綜合上述分析認為，4 號管上的孔洞是原螺柱焊接過程中形成的貫穿型氣孔，3 號管壁厚嚴重減薄并產(chǎn)生孔洞的原因是被4 號管泄漏的高壓水柱沖刷導致。

2.3 熱矯缺陷

某電廠2 號爐高溫再熱器部件在現(xiàn)場安裝前，彎頭起彎處附近存在一條長約40 mm 的橫向貫穿型裂紋，彎頭材質(zhì)為TP347H。經(jīng)金相分析發(fā)現(xiàn)，裂紋區(qū)域近外表面約200 μm 的層深范圍的金相組織已改變，已形成晶粒細小的組織，晶界和晶粒內(nèi)部均有大量的析出相；而距外表面較遠處金屬內(nèi)部則未有析出相。結合裂紋附近的外表面存在金屬重熔后的褶皺，判斷該TP347H 鋼管經(jīng)歷了熱矯處理，且溫度過高造成過燒。TP347H 鋼管彎頭附近發(fā)生橫向開裂的位置的宏觀形貌和顯微組織如圖8所示。

圖8 TP347H 鋼管彎頭附近發(fā)生橫向開裂的位置的宏觀形貌和顯微組織

經(jīng)分析，TP347H 鋼管彎頭附近發(fā)生橫向開裂的原因是由于鍋爐廠制造過程中熱矯溫度控制不當導致嚴重超溫，晶間嚴重弱化，在彎管殘余應力的作用下發(fā)生開裂的結果。

3 鍋爐管服役中的常見質(zhì)量問題及失效案例

3.1 長時過熱

某電廠1 號爐在運行大于7000 h 后發(fā)生爆管事故，爆管材質(zhì)為12Cr1MoVG 內(nèi)螺紋管，爆口處的宏觀形貌如圖9 所示，顯微組織如圖10 所示?？梢钥吹剑牧媳郴鹈嫖窗l(fā)生變形和壁厚減薄，向火面?zhèn)染l(fā)生鼓脹變形減薄，開裂方向是由外表面向內(nèi)表面擴展，且在外壁爆口根部兩端出現(xiàn)了較多的蠕變裂紋。向火面處的珠光體組織已經(jīng)完全分解并球化，且出現(xiàn)了蠕變孔洞（圖10a）[13-14]，說明向火面在運行時處于長時過熱超溫狀態(tài)；背火面組織正常（圖10b）。

圖9 12Cr1MoVG 內(nèi)螺紋管爆口處的宏觀形貌

圖10 12Cr1MoVG 內(nèi)螺紋管爆口處的顯微組織形貌

3.2 高溫氯腐蝕

某電廠鍋爐高溫再熱器在運行過程中發(fā)生爆管，停爐檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈管T91 和最外圈管TP304H均發(fā)生腐蝕減薄。掃描電鏡下的高溫再熱器用T91鋼管爆管材料缺陷處的組織形貌和能譜分析結果如圖11 所示。由掃描電鏡分析可知，在內(nèi)圈管T91材質(zhì)外表面與積灰層界面處發(fā)現(xiàn)大量氯元素，說明煤中含有大量氯元素鹽類，煤中氯含量達到一定值時，它的作用遠遠超過了硫的作用。研究表明[15-16]，煤中氯含量大于0.3%時，與氯有關的高溫腐蝕傾向嚴重。硫的腐蝕是一次性的，而氯的腐蝕具有循環(huán)持續(xù)進行的特點。綜合分析認為，該管材泄漏的原因是由于煤中含有大量的氯化物，煙氣中的氯化物循環(huán)持續(xù)對管壁造成腐蝕導致的。

圖11 T91 鋼管爆管材料缺陷處的組織形貌和能譜分析

3.3 應力腐蝕

某電廠2 號爐高溫再熱器TP304H 穿墻管在運行中開裂，泄漏管段位于再熱器集箱與再熱器管屏之間的密封盒內(nèi)，前端與套管單面焊，套管又與梳型板由工地焊接，梳形板與密封盒又同焊于水冷壁外墻，形成較強約束。TP304H 鋼管因應力腐蝕而產(chǎn)生的表面開裂的顯微組織如圖12 所示。鍋爐負荷變化時，該管段受到冷縮熱脹作用會產(chǎn)生拉、壓應力。管段外表面開裂處微觀形貌表明裂紋分岔并沿晶擴展；管段金相組織未發(fā)現(xiàn)異常。掃描電鏡觀察斷口形貌具有沿晶解理特征，如圖13 所示，斷口上存在多條二次裂紋，二次裂紋走向也是沿晶擴展；能譜分析結果表明，斷口上含有鈣、鈉、鎂、鋁、氯和硫等元素，這些元素應來自于密封盒內(nèi)的填充物珍珠巖，密封盒內(nèi)填充珍珠巖是用來封堵并防止爐內(nèi)煙塵外泄，但珍珠巖中的鹽類介質(zhì)（含有鈣、鈉、鎂、鋁、氯和硫等元素）包圍了該管段，尤其在該管段的上表面區(qū)域，由于鹽類介質(zhì)沉積作用，給其提供了腐蝕環(huán)境。

圖12 TP304H 鋼管因應力腐蝕而產(chǎn)生的表面開裂的顯微組織

圖13 掃描電鏡下TP304H 鋼管缺陷處的組織形貌和能譜分析

綜合分析認為，TP304H 鋼管具有應力腐蝕材質(zhì)敏感性，加上拘束產(chǎn)生的拉應力，以及管段周圍沉積介質(zhì)形成的腐蝕環(huán)境，滿足了其產(chǎn)生應力腐蝕的3 個條件（材質(zhì)、應力、腐蝕介質(zhì)），因此使該管段發(fā)生了應力腐蝕開裂。

4 結 語

（1） 原材料鋼管在制造過程中產(chǎn)生的原始裂紋是導致鍋爐不能正常運行的原因之一，建議鋼管生產(chǎn)企業(yè)嚴把質(zhì)量關，杜絕不合格產(chǎn)品出廠，鍋爐廠嚴格執(zhí)行驗收工作；

（2） 鍋爐部件制造過程，如彎管、焊接等工序中也可能產(chǎn)生各種缺陷，預防及規(guī)避缺陷的存在對鍋爐能否正常運行至關重要；

（3） 鍋爐服役過程中，高溫、高壓、煙氣腐蝕與沖刷等惡劣環(huán)境是導致管材裂紋快速擴展至失效的主要因素，服役過程中萌生的裂紋應通過定期檢修監(jiān)督得到控制。