660MW中日合造超臨界電站鍋爐水冷壁管泄漏原因分析

中國特種設備檢測研究院鍋爐事業部 趙加星 劉杰 劉濤 車暢

0 前言

據國內相關統計，爐內四小管（過熱器管、再熱器管、水冷壁管、省煤器管）的失效事故占鍋爐事故的2/3左右，其中水冷壁泄漏引發的事故占據較大比例。[1-4]

水冷壁的作用是將爐膛火焰的熱量傳遞給水冷壁管內流動的水或蒸汽，使水變成水蒸氣并使水蒸氣的參數進一步提高，以達到所需要的介質狀態。水冷壁管失效事故的發生不僅使設備檢修工作量和檢修費用大大增加，而且嚴重影響了鍋爐機組的長期安全穩定運行，甚至使設備嚴重損壞并造成人員傷亡事故。[5,6]

基于此，本文針對某電廠660MW中日合造超臨界電站鍋爐泄漏的水冷壁管并從宏觀檢查、金相組織、裂紋斷面形貌、裂紋形成原因等方面對泄漏原因進行分析。

1 事故簡述

某電廠1號超臨界鍋爐，型號DG2100/25.4-Ⅱ1，是由東方鍋爐（集團）股份有限公司與東方-日立鍋爐有限公司合作設計、聯合制造的660MW超臨界本生直流鍋爐，Π型，鍋爐參數：設計出口壓力25.4MPa，設計出口溫度571℃，最大連續蒸發量2101.78t/h，再熱蒸汽流量1760.85t/h。該鍋爐發生水冷壁管泄漏，泄漏位置為爐墻標高44米、B5吹灰器附近的螺旋水冷壁管。泄漏的水冷壁管材質為T2，規格為：Φ38.1×7.5mm；鰭片材質為15CrMo。

2 結果分析

2.1 宏觀檢查

圖1所示為水冷壁泄漏位置。經宏觀檢查發現，圖1中所示的B5吹灰器下方上數第2根（彎管）、第4根管子（直管）發生相互吹損泄漏，第3根管子局部吹損減薄。

圖1 水冷壁泄漏位置

經割管檢查發現，圖1中所示的第4根管子上存在2條相距130mm且長約45mm的橫向貫穿裂紋，裂紋處均有明顯的泄漏吹損痕跡，如圖2a所示。

仔細觀察圖2a，裂紋1位于管子向火面，其附近存在許多橫向表面裂紋。裂紋2于向火面的裂紋張口較之背火面的大，且存在兩條擴展裂紋，如圖2b和圖2c所示。圖2所示為裂紋1和裂紋2的位置及形貌。同時經測量發現，泄漏管及其附近管子沒有脹粗現象。

圖2 裂紋1和裂紋2的位置及形貌

2.2 金相組織

圖3和圖4所示分別為試樣取樣位置和裂紋形貌及其附近金相組織。分析圖4并結合材質可以確定，水冷壁管子基體的金相組織為：鐵素體+珠光體。仔細觀察圖4，還可以發現，裂紋由管外表面向內并主要以穿晶的方式擴展延伸。

圖3 裂紋1附近取樣示意圖

圖4 裂紋形貌及其附近金相組織200×

圖5所示為水冷壁管子與其鰭片之間焊縫的金相組織。從圖5中可以看出，焊縫和熱影響區的金相組織為粒狀貝氏體。同時熱影響區的組織比焊縫中的細小。另外對管子（T2）和鰭片的化學成分進行了分析，結果符合設計材質要求。

圖5 水冷壁管子與其鰭片之間焊縫的金相組織50×

2.3 裂紋斷面形貌

沿管子縱向將裂紋1斷面剖開，經清洗后觀察斷面，如圖6所示。結合圖4，從圖6中的斷面色澤和斷裂紋路可判定，裂紋首先起源于向火側管子外表面，并逐步向內發展，直至貫穿，造成泄漏。圖6所示為裂紋1的斷面形貌。

圖6 裂紋1斷面形貌

在圖3所示裂紋1附近的橫向裂紋區域（向火側）取樣，并對橫向裂紋的橫斷面進行制樣。圖7為橫向裂紋的橫斷面形貌，可以看出管子向火側外表面橫向裂紋較多、深淺不一，但大多在2mm以內。裂紋表面開口較大，向管子內延伸成倒三角形形態。裂紋內部充滿著氧化腐蝕產物。管子外表面由于焊接有鰭片，凹凸不平，但所有裂紋均垂直于表面向管子基體內部延伸。裂紋與鰭片焊縫之間的相互位置沒有對應關系。

圖7 橫向裂紋的橫斷面形貌

2.4 裂紋形成原因

通過對以上裂紋形態特征的分析可知，向火側外表面橫向裂紋的形成與鰭片焊接沒有直接對應關系，裂紋是在機組投運以后產生的。橫向裂紋的形成與向火側管子表面曾經受過或大或小的表面張應力有關。

裂紋管子鄰近的B5吹灰器，應該為劇烈的溫度變化引起的表面應力提供了助力，而與受熱面局部的結構應力沒有直接關系。該機組運行期間，B5吹灰器曾經存在故障，可能將濕冷蒸汽吹向鄰近管子向火側，使管子表面產生劇烈的溫度變化，進而形成表面橫向裂紋。盡管爐膛內煙溫很高，使得管子表面應力亦很高，但向管子金屬基體內部應力梯度較大，應力急劇降低，所以裂紋相對較淺。

由于管子表面沒有發現明顯的吹灰器吹損痕跡，所以，B5吹灰器泄漏出來的濕冷蒸汽并不具備很高的壓力，可能是非吹灰工作狀態下濕冷蒸汽泄漏造成的。

2.5 水冷壁管泄漏原因

圖8所示為鰭片溝槽與裂紋的位置圖。裂紋1位置爐外部分，其鰭片上間隔開有橫向溝槽，溝槽深度約為鰭片寬度的2/3。貫穿裂紋鄰近的鰭片溝槽開的較深，或處于斷開狀態。

由圖2a可見，裂紋2附近管子間距離較近，其下方還有第3根管子，管子間只有很窄的鰭片，由于相互吹損嚴重，已經觀察不到鰭片，也可能裂紋2處于鰭片斷開處。

因B5吹灰器周圍相鄰的3根管子都存在彎曲管段，第4根開始為直管段，故運行期間B5吹灰器鄰近的彎管形成的結構應力，將會集中于第4根直管段的相鄰部分。而鰭片上開槽或斷開區域使得應力會集中于管子外表面處，進而促使管子外表面橫向裂紋進一步向內表面發展，最終導致貫穿泄漏。

圖8 鰭片溝槽與裂紋的位置圖

3 結論

該中日合造超臨界電站鍋爐的吹灰器存在故障，將濕冷蒸汽吹向鄰近的水冷壁管，使水冷壁管表面溫度出現劇烈變化，進而形成表面橫向裂紋。同時吹灰器附近的水冷壁管子的結構差異形成的應力使得裂紋進一步發展，最終導致水冷壁管泄漏。基于此，建議對吹灰器及其周圍管子進行全面檢查，消除吹灰器故障，并對受損管段進行更換處理。