300MV循環流化床鍋爐頂棚水冷壁管失效分析

段文龍

廣東粵電云河發電有限公司

300MV循環流化床鍋爐頂棚水冷壁管失效分析

段文龍

廣東粵電云河發電有限公司

某電廠一臺300MV的循環流化床鍋爐頂棚水冷壁運行中發生失效，造成機組停機。經對失效管子外觀、金相、斷口掃面電鏡等分析，得出結論，該管失效原因是管子內壁存在內疲勞裂紋，而熱疲勞裂紋的產生是由于廠家設計結構缺陷所致。

流化床鍋爐；熱疲勞；失效；分析

概述

某電廠有一臺300MV的單鍋筒自然循環、亞臨界中間再熱循環流化床機組，鍋爐型號為SG-1036/17.5-M4506。生產廠家為上海鍋爐廠。該鍋爐投產一年后，運行中發生頂棚水冷壁失效事件，造成機組停機。失效的頂棚水冷壁管材質為SA210-C,規格為Φ 60×7.5。失效位置為頂棚水冷壁管從A側往B側數第24根，并對旁邊管子造成大面積吹損。本文從專業技術角度對失效管子進行分析后，找出管子失效的原因，提出了相關改進措施。

1 、外觀形貌分析

失效管子的外觀形貌見圖一，從圖中可以看出失效管子有明顯的吹損減薄痕跡。經對失效管子破開后內表面的外面形貌見圖二，從圖中可以看出該管內表面有大量的橫向裂紋。結合圖一、圖二分析爆口為周向開裂，裂口呈脆性厚唇式，剔除開裂后的吹損因素外，無塑性拉伸等減薄和變形。內外壁無氧化皮，無脹粗。管子內壁有大量周向裂紋，且裂紋呈龜裂狀。裂紋延伸方向與管子主應力方向垂直。宏觀形貌符合熱疲勞裂紋的特征。從宏觀形貌可以判定爐管的失效方式為熱疲勞失效。

圖一失效管子外觀形貌圖片

圖二失效管子內表面外觀形貌圖

2 、金相組織分析

圖三失效管子橫截面金相

圖四失效管子縱向金相

在第24根管子上分別取橫向與縱向試樣，進行微觀組織觀察。其組織圖片見圖三-圖四所示，可以發現裂紋為穿晶斷裂，附近無明顯塑性變形，裂紋從管子內壁表面開始向內擴展，方向與表面垂直，裂紋尖端較為尖銳，其內部有灰色氧化物，符合熱疲勞裂紋特征。管子金相組織正常。

3 、斷口分析

通過掃描電鏡對已經失效的鍋爐頂棚處水冷壁管子的內壁橫向裂紋進行分析，圖片見圖五、圖六。圖五中扇形區域為原始裂紋斷面，顯示脆性疲勞斷裂特征，有多個裂紋源，斷口表面有氧化層。

圖六頂棚水冷壁開裂管子內表面裂紋形貌

4 、綜合分析

根據上面的試驗和分析結果，判斷頂棚水冷壁管子開裂的裂紋為熱疲勞裂紋。熱疲勞裂紋產生有兩個必要條件即機械束縛和溫度變化。裂紋萌生于內壁，可以判定機械束縛和溫度變化主要來自于內壁,由于目前只發現頂棚水冷壁爐右第24根內壁有大量周向裂紋，附近管子并未發現裂紋,可以排除區域性煙氣側熱沖擊，可以肯定熱沖擊來源于管內介質側。

5 、頂棚水冷壁管的內表面產生熱疲勞裂紋的原因

由于泄露管管段并沒有出現脹粗、管壁壁厚明顯減薄的現象，因此可以推斷管子內壁并沒有出現第一類或者第二類傳熱惡化。因為熱疲勞細裂紋只產生在頂棚水冷壁的內壁，推斷應該是頂棚水冷壁管的內壁有汽水分離界面產生。

鍋爐個別管子內產生間斷性的汽水分離界面很可能與結構設計有關，經查設計說明書，該鍋爐的汽水循環系統包括鍋筒、大直徑下降管、水冷屏下降管、水冷壁、水冷屏和引出管。爐膛后墻水冷壁管排的結構如圖七所示。

圖七爐膛后墻水冷壁管排的結構圖

圖八后墻環形集箱管子局部流場示意圖

圖五頂棚水冷壁開裂管子裂紋斷口形貌

根據頂棚水冷壁的分布結構，頂棚水冷壁管熱疲勞裂紋的產生是在水冷壁后墻出口的集箱彎頭第一個管接頭處，此處出口為前墻水冷壁上部集箱引出管。下面我們再對位于后墻出口區域的爐頂水冷壁的降壓差變化和流場分析，后墻環形集箱管子局部流場示意圖見圖八。從圖中可以看出引入前墻水冷壁管出口集箱的位置正好是水冷壁引出管管座的角部，因此此處的工質流場受到“角部渦旋”的影響，而產生熱疲勞裂紋的管子是靠近彎頭處的第一根管子，是受到“彎頭效應”影響的最大處，此種結構在靜壓差上容易產生壓差的波動，從而造成產生熱疲勞管的管內工質的流場和流量容易發生波動。另外，管內汽水混合物的含汽率隨著流動方向逐漸變大，因此管子出口段受周期性流量及流場波動的影響更大，這是造成管子內壁間斷性汽水分離后產生熱疲勞裂紋的原因。

5 、結論

（1）失效管子從外觀形貌、金相組織、掃描電鏡圖片可以判定，該管失效是熱疲勞裂紋導致。

（2）熱疲勞裂紋產生的原因是廠家設計結構缺陷造成。

（3）處理措施，對失效管子進行更換處理，并對該鍋爐其它相同位置五條管子進行無損探傷檢測。為消除泄漏管可能受到的“角部效應”影響，將鍋爐頂棚水冷壁右側數第24#號管及對稱位置的其它五條管子改為不經過環行集箱，直接連通，在環形集箱的管子上下管接頭封堵，由廠家出具具體實施方案。

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段文龍（1981-），男，漢族，廣東云浮人，本科，熱能動力工程師，主要從事電廠金屬技術監督方面的工作，對電廠金屬材料的檢驗和失效分析有豐富的現場經驗。