鍋爐吹灰孔水冷壁管開裂原因分析

李萬立,張曙東,封小亮,劉課秀,馬 括

(廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院,510000,廣州)

0 引言

水冷壁管作為鍋爐的重要部件,其質(zhì)量的可靠性直接關(guān)系到鍋爐的運行安全,進而影響電廠的安全生產(chǎn)。一般水冷壁管發(fā)生開裂爆管可能是鍋爐啟停不符合要求、設(shè)計安裝不當、管壁腐蝕減薄導(dǎo)致抗內(nèi)壓強度降低以及酸蝕氫脆等原因[1-7]。SA-210C鋼是20世紀80年代初引進美國CE和WH公司的300 MW和600 MW亞臨界機組制造技術(shù)時的引進的發(fā)電設(shè)備材料,屬珠光體型熱強鋼[8]。該鋼的生產(chǎn)工藝簡單,冷熱加工性能好,屈服強度比20號鋼高20%左右,而其塑性與韌性跟20號鋼相當。用其代替20號鋼,可以減薄壁厚,降低材料用量,還可以改善鍋爐的傳熱狀況[9]。目前,已廣泛應(yīng)用于300 MW、600 MW等大容量電站鍋爐工作溫度低于500 ℃的水冷壁、省煤器、低溫過熱器等受熱面管系和集箱、汽水管道等。近年來,因水冷壁管開裂爆管引發(fā)的生產(chǎn)安全事故頻頻發(fā)生,給企業(yè)帶來重大經(jīng)濟損失。因此,分析水冷壁管開裂原因,提出相應(yīng)的預(yù)防措施尤為重要。

1 實驗材料與方法

某火力發(fā)電廠鍋爐型號為DG1070-II4,水冷壁管規(guī)格為63.5 mm×7.5 mm,材質(zhì)為SA-210C,其化學成分見表1。水冷壁管設(shè)計壓力18.7 MPa,工作溫度為376 ℃,2007年8月投入使用。2021年1月發(fā)現(xiàn)該爐吹灰槍附近出現(xiàn)水冷壁管泄漏,停爐檢查發(fā)現(xiàn)吹灰孔處水冷壁管折彎部位存在開裂,開裂時運行壓力約15.5 MPa,運行溫度約360 ℃,該機組為調(diào)峰調(diào)頻機組,負荷經(jīng)常出現(xiàn)瞬時波動,為探明該水冷壁管開裂失效原因,并提供有效預(yù)防措施,本文對其開裂處進行宏觀分析、硬度試驗、金相分析、掃描電鏡形貌及能譜分析。

表1 水冷壁管化學成分分析結(jié)果(wt.%)

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌分析

發(fā)生開裂的水冷壁管如圖1(a)所示。水冷壁管開裂泄漏處位于吹灰孔下方,水冷壁管下彎折處,水冷壁管直管段割縫根部可見由割縫向管子母材方向擴展的裂紋,如圖1(a)中的放大圖。取樣分析的水冷壁管為彎管,長度約180 mm,外壁有大量的吹損痕跡,如圖1(b)所示。水冷壁管開裂泄漏處位于下吹灰孔下彎折處封板割縫的根部,開裂處裂紋呈橫向擴展,長度約30 mm,裂紋附近表面無明顯腐蝕痕跡,封板多個割縫根部結(jié)構(gòu)尖銳,部分割縫根部已出現(xiàn)裂紋,如圖1(c)所示。對開裂的水冷壁管內(nèi)壁進行觀察,可見裂紋已貫穿,水冷壁管內(nèi)壁未見明顯腐蝕及減薄,如圖1(d)所示。將裂紋人工掰開并置于體視顯微鏡下進行觀察,可見裂紋中間受到泄漏蒸汽明顯沖刷,斷口表面呈黃褐色嚴重氧化狀,裂紋由外壁割縫位置向內(nèi)壁呈弧形擴展,斷口局部可見貝殼紋,如圖1(e)所示。

圖1 水冷壁管開裂位置宏觀分析

2.2 硬度試驗

對水冷壁管進行維氏硬度試驗,結(jié)果見表2,管子與封板焊接處焊縫區(qū)硬度為194 HV10,熱影響過熱區(qū)、部分相變區(qū)硬度分別為170 HV10、171 HV10,母材硬度為193 HV10。對母材區(qū)進行布氏硬度試驗,硬度值為187 HB,略高于ASME SA-210/SA-210M中對SA-210C的標準技術(shù)要求上限值。因硬度試驗?zāi)覆娜臃治霾课粸檎蹚澒?母材硬度值偏高判斷與水冷壁管的形變強化有關(guān)。

表2 硬度試驗結(jié)果

2.3 金相分析

對水冷壁管開裂處裂紋尖端進行表面金相覆型分析,觀察發(fā)現(xiàn),裂紋無明顯分支,裂紋邊緣多呈鋸齒狀,水冷壁管母材組織為鐵素體+珠光體,組織未見明顯球化,如圖2(a)、(b)所示。

圖2 水冷壁管金相顯微分析

2.4 掃描電鏡形貌及能譜分析

對水冷壁管開裂部位截取斷口試樣,在斷口清洗前后分別進行掃描電鏡斷口形貌觀察及能譜分析。

對斷口進行掃描電鏡形貌觀察及能譜分析,斷口由原始斷口與人工斷口組成,具體如圖3(a)、(b)所示。水冷壁管與封板相連接部位已開裂并貫穿整個壁厚,斷口表面受到明顯沖刷,原始斷口表面整體被氧化產(chǎn)物等覆蓋,斷口兩側(cè)未貫穿處局部可見由外壁向內(nèi)分布的弧形花樣。對斷口裂紋擴展尖端進行微區(qū)成分半定量分析,結(jié)果顯示主要為50.06 wt.%Fe、32.71 wt.%O、6.94 wt.%Al、6.38 wt.%Si、1.25 wt.%Ca,并有少量的C、Mg、P、S、Ti、Mn,具體如圖3(c)所示。

圖3 水冷壁管斷口位置掃描電鏡微觀形貌及能譜分析

對斷口采用5%稀鹽酸水溶液超聲波清洗后觀察斷口形貌,斷口表面可見明顯的疲勞條紋和微觀疲勞輝紋,裂源區(qū)位于外壁封板割縫根部位置,如圖4所示。

圖4 水冷壁管斷口酸洗后掃描電鏡微觀形貌

2.5 分析與討論

開裂水冷壁管材質(zhì)為SA-210C,材質(zhì)與設(shè)計相符,水冷壁管母材硬度值略微偏高,判斷與水冷壁彎管的形變強化有關(guān)(材料冷加工造成的加工硬化),水冷壁管母材顯微組織均未見明顯異常,以上表明水冷壁管材料質(zhì)量無異常;水冷壁管外壁和內(nèi)壁均無明顯腐蝕現(xiàn)象,表明水冷壁管開裂與腐蝕無明顯關(guān)聯(lián)。結(jié)合水冷壁管開裂部位結(jié)構(gòu)及工況分析,該鍋爐機組為調(diào)峰調(diào)頻機組,負荷經(jīng)常出現(xiàn)瞬時波動,當鍋爐啟停和參與調(diào)峰出現(xiàn)負荷瞬時波動時,封板與吹灰器口水冷壁管之間的溫度偏差及吹灰器口水冷壁管與正常部位水冷壁管之間的溫度偏差均會產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力,以及吹灰槍冷凝水對水冷壁管帶來的冷熱交變應(yīng)力等,因此,通過在封板位置增加割縫來釋放應(yīng)力,然而水冷壁管彎折處割縫根部尖銳則會引起嚴重的應(yīng)力集中,從而在水冷壁管的封板割縫根部尖銳位置造成較高的峰值應(yīng)力,使割縫根部尖銳部位在熱應(yīng)力作用下萌生裂紋,形成啟裂源,隨著鍋爐的反復(fù)啟停和負荷瞬時波動,最終使得吹灰器口水冷壁管彎折處封板割縫根部發(fā)生疲勞開裂。

3 結(jié)論與預(yù)防措施

水冷壁管的封板割縫根部結(jié)構(gòu)尖銳,鍋爐啟停及負荷瞬時波動造成水冷壁管及封板局部溫度差異較大并產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力,導(dǎo)致水冷壁管的封板割縫根部的尖銳位置在熱應(yīng)力作用下發(fā)生開裂形成啟裂源,并在循環(huán)熱應(yīng)力的作用下發(fā)生疲勞開裂?；谒浔诠苁г?提出以下預(yù)防措施。

1)吹灰口封板割縫根部結(jié)構(gòu)應(yīng)合理設(shè)置,確保圓滑過渡,避免尖銳結(jié)構(gòu)導(dǎo)致局部嚴重應(yīng)力集中。

2)加強對吹灰口封板及水冷壁管的檢查,尤其應(yīng)加強對封板割縫根部的檢查。

3)適當提高吹灰蒸汽溫度,避免吹灰蒸汽溫度過熱度不足造成冷凝水流至吹灰孔水冷壁管,產(chǎn)生冷熱交變應(yīng)力。