某發電公司鍋爐水冷壁管泄漏原因分析

劉景春，張艷紅

(1.神華國華綏中發電有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125222;2.遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 鍋爐概況

某發電公司鍋爐為 HG－1793/26.15－YM1型。爐膛采用內螺紋管垂直上升膜式水冷壁，水冷壁管共1 584根，前后墻各396根，兩側墻各396根。在上下爐膛之間裝設一圈中間混合集箱以消除下爐膛工質吸熱與溫度偏差。水冷壁管材質為15CrMoG，規格為Φ28 mm×6.4 mm，水冷壁設計壓力為32.2 MPa，工作壓力為30.0 MPa，鍋爐給水溫度為291℃。

2012年7月B側前數第B216、B127號管在標高約45 m處泄漏，B125、B128號管表面有裂紋，但未裂透。至泄漏之日水冷壁管累計運行約10 000 h。

2 試驗分析

2.1 爆口宏觀特征檢驗

4根管主裂紋處沿長度方向向內明顯彎曲變形(見圖1)。4根管在漏點附近向火側表面均存在橫向裂紋，B側前數第B126、B127號管主裂紋已穿透壁厚 (見圖2)，B側前數第B125、B128號管主裂紋尚未穿透壁厚 (見圖3)。將B127號管在向火側沿軸向 (垂直表面裂紋方向)剖開，可見裂紋均在外壁上，并由外壁向內壁擴展 (見圖4)。

爆口附近及爆口下方約300 mm處管徑脹粗率測試結果如表1所示，裂紋附近管徑脹粗率為4.6%～5.7%，爆口下方約300 mm處管徑脹粗率為2.5%～3.6%。

4根水冷壁管裂紋宏觀形貌特征均屬于熱疲勞開裂［1］，同時伴有明顯的管徑脹粗及過熱特征。

表1 管徑脹粗率測試結果

2.2 化學成分分析

對B125號水冷壁管背火側進行化學成分分析，試驗執行標準為GB/T4336—2002，儀器型號為DV－6。其化學元素含量符合GB5310—2008 15CrMoG鋼標準要求，試驗結果如表2所示。

表2 水冷壁管元素含量 %

2.3 金相檢驗

在B127號管主裂紋處垂直于表面裂紋方向取樣進行金相檢驗，向火側裂紋起源于外表面 (見圖5)，屬于熱疲勞裂紋。向火側基體組織及背火側金相組織均為塊狀鐵素體加珠光體，球化不明顯(見圖6、圖7)。

在B127號管爆口下方約300 mm處 (外表面無裂紋)取樣進行金相檢驗，向火側近外壁及中部金相組織為鐵素體、貝氏體加相變珠光體 (見圖8、圖9)，向火側近內壁金相組織為鐵素體加貝氏體 (見圖10)，背火側金相組織為鐵素體加貝氏體 (見圖11)。向火側近外壁金相組織屬于不完全相變組織，表明該處向火側管壁溫度曾超過720℃(15CrMoG鋼相變開始溫度)。

主裂紋處金相組織為塊狀鐵素體加珠光體，球化不明顯，為15CrMoG鋼的正火組織狀態。而距主裂紋約300 mm處向火側近外壁 (外表面無裂紋)已經發生相變，表明該處壁溫超過720℃，主裂紋處壁溫應該更高，主裂紋處的正火組織形態應視為完全正火相變組織，主裂紋處管壁溫度高達900℃ (15CrMoG鋼正火溫度)。金相檢驗結果表明，該水冷壁管壁溫曾高達720～900℃，有短時過熱特征［2］。

3 爆管原因分析

水冷壁管的材質15CrMoG鋼是世界各國廣泛采用的低合金鉻鉬鋼，該鋼具有良好的工藝性能、焊接性能及較高的熱強性能。在500～550℃工作溫度下長期運行時會產生珠光體球化、合金元素從鐵素體向碳化物中轉移并發生碳化物類型轉變的現象，從而導致鋼的強度和熱強性能降低。當工作溫度超過550℃時，抗氧化性能變差，熱強性能顯著下降。該鋼廣泛應用于制造蒸汽參數為510℃的高、中壓鍋爐蒸汽管道、集箱及壁溫為540℃以下的過熱器管及水冷壁管。

按照GB5310要求，15CrMoG成品鋼管的供貨狀態應為正火加回火。正火溫度為930～960℃，回火溫度為680～720℃。其正常的組織狀態為塊狀鐵素體加珠光體或塊狀鐵素體加貝氏體。

化學成分分析結果表明，水冷壁管各元素含量均符合15CrMoG標準要求。4根水冷壁管失效機理均屬于熱疲勞開裂，同時伴有短時過熱特征，爆口附近向火側壁溫曾高達720～900℃。

在正常工況下水冷壁管的工作環境為管內介質溫度290～500℃，壓力30.0 MPa，管子外壁 (向火側)爐膛煙溫高于1 000℃，水冷壁管向火側壁溫通常高于管內介質溫度的30～50℃，即水冷壁管壁溫應≤540℃。15CrMoG鋼在540℃以下可以長期運行。

在異常工況下，如某個水冷壁管有異物堵塞導致介質流速緩慢，管壁溫度不能被介質及時冷卻，壁溫將不斷升高(超過550℃)，從而引發過熱爆管，過熱爆管特征為管徑脹粗明顯，沿管子縱向有爆口。

本次失效的4根水冷壁管雖都有短時過熱特征，但主裂紋是橫向裂紋，開裂機理屬于熱疲勞，引發熱疲勞開裂是由于水冷壁管溫度忽高忽低、頻繁變化所致。導致水冷壁管溫度不穩定的主要因素是管內介質流速不穩定，在某一時期(某一低負荷階段)介質流速較低，管壁超溫，可高達700～900℃，而在另一時期(正常負荷階段)介質流速正常，管壁溫度迅速恢復正常(約530℃)。管壁溫度由700～900℃迅速降至530℃，該溫差產生較高的熱應力，當熱應力超過水冷壁管材在高溫下的抗拉強度時，在外表面(由于外壁溫度最高，其抗拉強度最低)形成橫向裂紋，此過程不斷循環重復，裂紋不斷擴展，最終引發熱疲勞開裂。

本次失效的4根水冷壁管 (B125～B128)來自于同一根節流孔管 (一分二，二分四)。該節流孔管所處的位置及其結構是導致上述4根水冷壁管介質流速不穩定的主要原因。

4 結束語

該發電公司4根水冷壁管失效機理均屬于熱疲勞開裂，同時伴有短時過熱特征，爆口附近向火側壁溫曾高達720～900℃。引發熱疲勞及過熱失效的主要原因應從供給4根水冷壁管介質的節流孔管結構及其在聯箱上所處的位置查找原因。

［1］吳非文.火力發電廠高溫金屬運行［M］.北京:水力電力出版社，1979.

［2］王 偉，盤榮旋，竇 洪，等.某超超臨界鍋爐水冷壁管爆管事故分析［C］.第九屆電站金屬材料學術年會論文集.360－364.