600 MW超臨界機組15CrMoG水冷壁管失效分析*

劉川槐， 劉 濤， 王 偉， 葉 琳

(淮浙煤電有限責任公司 鳳臺發電分公司， 安徽淮南 232001)

鍋爐受熱面管包括水冷壁管、省煤器管、過熱器管和再熱器管，簡稱“四管”，鍋爐“四管”泄漏是電廠非正常停機最普遍的原因，一般占機組非正常停機事故的50%以上[1]。15CrMoG是超(超)臨界鍋爐水冷壁、包墻過熱器、低溫過熱器及低溫再熱器等主要蒸發受熱面普遍使用的材料，特別是水冷壁，在運行中承受高溫、高壓、高熱負荷等惡劣條件，因而水冷壁泄漏是影響機組安全穩定運行的技術難題[2-4]。筆者針對某電廠600 MW超臨界機組材質為15CrMoG的垂直水冷壁管、前包墻過熱器管及中隔墻過熱器管接連發生泄漏，進行理化檢驗和原因分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查

發生泄漏的水冷壁管宏觀形貌見圖1。管子爆口呈唇形，爆口邊緣較鈍，爆口長約為45 mm，爆口附近管子無明顯脹粗，呈明顯的超溫爆管特征。

圖1 發生泄漏的水冷壁管宏觀形貌

采用內窺鏡對發生泄漏的垂直水冷壁管進行檢查，發現大量異物附著在垂直水冷壁內壁(見圖2)，且管子入口90°彎頭處堆積大量異物并將彎頭堵死(見圖3)。對其他垂直水冷壁管進行抽查，發現同樣存在不同程度的異物堵塞問題。管子內壁取出的異物見圖4。

圖2 發生泄漏的水冷壁內壁宏觀形貌

圖3 水冷壁管彎頭堵塞情況

圖4 水冷壁管內取出的異物

1.2 化學成分檢驗

對發生泄漏的水冷壁管進行化學成分檢驗，結果見表1。管子的合金元素符合DL/T 991—2006 《電力設備金屬光譜分析技術導則》要求，因此可以排除材質用錯的可能性。

1.3 硬度試驗

按標準GB/T 231.1—2009 《金屬布氏硬度試驗 第一部分：試驗方法》要求在管子漏點附近、漏點背面和距漏點400 mm直段處分別截取硬度試樣進行布氏硬度試驗，試驗結果見表2。管子硬度符合DL/T 438—2016 《火力發電廠金屬技術監督規程》要求的125～170 HB。

表2 管子室溫力學性能試驗結果 HB

1.4 金相檢驗

在水冷壁管漏點附近及距漏點400 mm直段處分別切取金相試樣，試樣經磨制拋光后，用體積分數為4%硝酸酒精溶液腐蝕，其組織形態見圖5和圖6。

圖5 管子漏點附近金相組織

圖6 離漏點400 mm處管子金相組織

由圖5可知：管子漏點附近組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，球化1級，晶粒度6級，管子內壁上存在深度較淺、底部圓滑的凹坑，未見裂紋及孔洞形表面缺陷，凹坑深度約為0.2 mm。

由圖6可知：離漏點400 mm處管子組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，少量碳化物沿鐵素體晶界分布，球化1.5級，晶粒度6級，管子內壁上存在深度較淺、底部圓滑的凹坑，未見裂紋及孔洞形表面缺陷，凹坑深度約為0.08 mm。

1.5 掃描電鏡及垢量分析

對水冷壁管內取出的異物進行掃描電鏡及能譜分析。水冷壁管內壁異物表面形貌見圖7，管內異物具體成分見表3。管內異物w(O)高達71.54%，主要成分為氧化物。

圖7 水冷壁管子內壁異物表面形貌

表3 水冷壁管內壁異物成分分析 %

(表3 續)

對水冷壁管垢量和污垢成分進行進一步分析，管樣污垢成分是經酸洗后，酸洗液(已扣除管樣和指示片的腐蝕量)中各物質的質量分數，結果見表4。

表4 水冷壁污垢成分分析

由表4可知：爐管內垢量非常大，達到極為罕見的1 093.5 g/m2，且垢樣成分單一，98%質量分數以上的污垢為Fe2O3。

2 原因分析

金相和硬度結果表明管子組織和硬度無異常，化學成分檢驗結果表明管子合金元素符合標準要求，可見鋼管本身無質量問題。機組在整套啟動進入168 h滿負荷試運前，垂直水冷壁管、包墻過熱器管及中隔墻過熱器管已經發生超溫泄漏和扭曲變形，受熱面管并未經歷長期高溫的汽側環境，且運行期間管子內壁發生腐蝕的可能性也可以排除。

由此推斷，該批鋼管制造過程中，在熱處理工藝階段未能有效控制保護氣體中氧含量，導致該批管子內壁生成了較多氧化皮，這批管子成品后又未對管子內壁進行徹底的酸洗和氧化皮清除，又被存放了相當長時間，被水浸蝕或直接接觸濕度較大的空氣，使得氧化皮和基體之間再次發生腐蝕，原本致密的氧化皮變得疏松，當鍋爐啟動后，在較大熱膨脹系數下，氧化皮開始大量剝落，從而導致鍋爐爐管堵塞，最終引起局部水流不暢而過熱爆管。

3 處理措施

(1) 首先采用直徑約為80%爐管內徑的鋼絲繩對每根爐管內部進行疏通，將管子內壁上的大部分氧化皮去除，再利用高壓水槍(泵出口壓力在80 MPa左右)對每根管子內壁進行不間斷地高壓水沖洗，保證管子內部暢通。

(2) 針對腐蝕產物進行化學清洗，采用了復合酸(催化檸檬酸)為介質，設計了“二步清洗法”進行強效化學清洗。該化學清洗方法的清洗速率為1.2 g/(m2·h)，經過2次化學清洗，最終使得管內腐蝕產物全部清除，清洗后管內表面潔凈，無沉積和過洗現象(見圖8)。水冷壁管化學清洗后，機組順利通過168 h試運行。

圖8 化學清洗后監視管內部情況

4 結語

建議制造廠嚴格監督15CrMoG鍋爐管制造工藝，設置有效的保護氣體，以避免其被氧化生成氧化皮。同時，15CrMoG管在工廠熱處理后不宜長期存放，導致原本致密的氧化皮變得疏松，最終造成過熱爆管。采用“二步清洗法”可有效解決該類問題。