超超臨界鍋爐水冷壁泄漏原因分析

李生文，林 琳，吳易洋

（西安熱工研究院有限公司，陜西西安710054）

某電廠4號鍋爐是東方鍋爐（集團）股份有限公司與日本巴布科克—日立鍋爐有限公司合作設計、聯合制造的型號DG3000/26.25—Ⅱ1型1036MW超超臨界本生直流鍋爐。2016年9月，4號鍋爐水冷壁A側往B側數第23根凝渣管對應的用于連接凝渣管和螺旋水冷壁管的過渡管發生泄漏，4號機組于2012年9月投產至水冷壁過渡管泄漏累計運行約2.75萬小時，啟停11次。

水冷壁管樣材質為15CrMoG，為掌握鍋爐受熱面水冷壁材質狀態，查找水冷壁泄漏原因，本文對泄漏管樣進行了取樣試驗與分析，并提出改進及預防措施。

1 試驗結果與分析

1.1 宏觀形貌觀察

管樣宏觀形貌如圖1（a）所示。過渡管材質為SA-182 F22，過渡管下方的水冷壁管樣材質為15CrMoG，規格為Φ38.1 mm×7.5 mm。距過渡管與水冷壁管焊縫上方約10 mm處過渡管的向火面存在沿環向擴展的裂口，裂口在外壁環向貫穿向火面，且已貫穿整個壁厚，裂口附近已被泄漏的水汽吹損。沿縱向將管樣剖開，過渡管的內壁坡口加工處存在“V”字型凹槽，裂紋從凹槽處垂直于壁厚方向開裂泄漏，兩側斷口未發現明顯的塑性變形，如圖1（b）～圖1（e）所示。

1.2 金相分析

對管樣各個部位進行金相組織觀察，如圖2所示，結果如下：

（1）裂紋產生于內壁坡口加工的凹槽處，由內壁向外壁方向擴展，近內壁的裂紋較為筆直，無分叉，裂紋尖端處存在分叉，裂紋內存在氧化物；

（2）過渡管的母材顯微組織為貝氏體+鐵素體，球化1～2級，晶粒度為4～5級；過渡管熱影響區的顯微組織為貝氏體+鐵素體；水冷壁管母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，球化2級，晶粒度為7～8級；水冷壁管熱影響區的顯微組織為珠光體+鐵素體；焊縫的顯微組織為貝氏體。

1.3 掃描電鏡分析

1.3.1 金屬基體成分分析

在FEI Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對管樣進行能譜成分分析，結果如表1所示。結果表明：管樣各部位的材質與設計材料相符，過渡管材質為SA-182 F22，過渡管下方的水冷壁管樣材質為15CrMoG，不存在錯用材料問題。

圖1 管樣各部位宏觀形貌

圖2 管樣各部位顯微組織形貌

表1 管樣能譜成分分析結果 %

1.3.2 能譜分析和斷口形貌分析

使用FEI Quanta 400型掃描電鏡對裂口進行SEM形貌觀察，未清洗前的斷口存在較厚的氧化皮，使用OXFORD INCA Energy X射線能譜儀對斷口表面存在的氧化物進行成分分析。管樣斷口表面O、Fe含量較高，還有Si、Ca、K、Mg等。使用弱酸對斷口表面進行清洗，清洗后的斷口微觀形貌如圖3所示。由于介質泄漏已將大部分裂口吹損，部分未吹損的部位斷口顯示為脆性的穿晶斷裂[1-2]。

圖3 管樣斷口形貌

在FEI Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對試樣裂紋內的氧化物進行半定量的能譜成分分析，結果如表2所示，微區分析位置如圖4所示。結果表明：裂紋中的氧化物主要成分為O、Fe，還有Si、Cr、Mo、Mn、Mg、Ca等，未發現S、Cl等腐蝕性元素。

1.4 硬度試驗

依據標準GB/T 4340.1—2009[3]在HVS-50型維氏硬度試驗機上對管樣各部位進行維氏硬度試驗，荷載為98 N，保荷10 s。試驗結果如表3所列。結果表明：試樣各部位的硬度值均符合標準要求。

表2 裂紋內氧化物能譜成分結果 %

圖4 裂紋內氧化物成分分析能譜位置

表3 硬度試驗結果

2 原因分析

以上分析可知：水冷壁過渡管裂紋產生于內壁坡口加工的“V”字型凹槽處，并沿垂直于壁厚方向擴展至開裂泄漏。水冷壁過渡管的壁厚與下側水冷壁管的壁厚不同，在焊接時需要對過渡管的坡口處進行加工，DL/T 869—2012[4]對內壁尺寸不相等而外壁平齊時厚度差的處理方法如圖5所示，而過渡管坡口在實際加工中出現了凹槽，不符合DL/T 869—2012標準的要求，從而導致在凹槽處存在較大的應力集中[5-6]，在結構應力和內壓應力的作用下，裂紋從凹槽處萌生，在機組啟停、運行和調峰過程中逐漸由內壁向外壁擴展直至泄漏。

圖5 DL/T 869-2012中內壁尺寸不相等而外壁平齊時厚度差處理方法

3 結論及建議

（1）導致水冷壁過渡管發生泄漏的原因是過渡管的內壁坡口加工處存在凹槽，凹槽處應力集中較大，在結構應力和內壓應力的作用下，裂紋從凹槽處萌生，在機組啟停、運行和調峰過程中逐漸由內壁向外壁擴展直至泄漏。

（2）加強焊接過程中的質量監督，嚴格按照標準要求對管樣坡口進行加工，避免坡口處存在凹槽[7]，導致應力集中。