600 MW超臨界機(jī)組水冷壁管失效分析

吳 躍

(1. 中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東電力試驗(yàn)研究院， 合肥 230088；2. 大唐鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司， 合肥 230088)

鍋爐受熱面管包括水冷壁管、省煤器管、過熱器和再熱器管(簡稱四管)。四管泄漏是電廠鍋爐非正常停機(jī)最普遍的原因，一般占機(jī)組非正常停機(jī)事故的50%以上[1-2]。水冷壁是電站鍋爐主要的蒸發(fā)受熱面，在運(yùn)行中承受高溫、高壓、高熱負(fù)荷等惡劣的環(huán)境，容易發(fā)生吹損減薄、高溫腐蝕、超溫、堿腐蝕等導(dǎo)致水冷壁管泄漏，這是電廠非正常停機(jī)最常見的原因，也是困擾電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)難題[3-6]。鰭片是膜式水冷壁的重要組成部分，近年來膜式水冷壁因鰭片開裂而撕裂管子的事件時有發(fā)生[7-8]，因此研究鰭片及其焊接質(zhì)量對水冷壁運(yùn)行安全的影響具有非常重要的意義。

1 水冷壁泄漏

某600 MW超臨界機(jī)組正常運(yùn)行(負(fù)荷為550 MW)時，在冷灰斗處水冷壁爐左側(cè)墻向爐后方向延伸轉(zhuǎn)角位置(簡稱側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位)發(fā)生泄漏(見圖1)，泄漏點(diǎn)位于爐左向爐右數(shù)第9、10和11根管子上。

圖1 泄漏位置示意圖

筆者結(jié)合宏觀分析、金相組織檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn)對水冷壁的失效原因進(jìn)行了深入分析，并提出相關(guān)建議。發(fā)生泄漏的水冷壁管及鰭片材質(zhì)均為15CrMo，管子外徑為38 mm、厚度為6.5 mm。

2 試驗(yàn)分析

2.1 宏觀分析

發(fā)生泄漏的水冷壁管宏觀形貌見圖2。

由圖2可得：第9根管子有2個泄漏點(diǎn)，泄漏點(diǎn)附近有明顯吹損減薄痕跡，其中鰭片焊縫熔合線處存在長約12 mm的裂紋，裂紋擴(kuò)展至第10根管子(已經(jīng)裂穿母材)；第10根管子存在1個直徑不到1 mm的泄漏點(diǎn)(位置A處)，泄漏點(diǎn)周圍存在呈凹坑狀的吹損痕跡；第11根管子存在長約8 cm的爆口，爆口邊緣鋒利且呈明顯外翻形態(tài)，為吹損減薄后爆破所致。綜合各泄漏點(diǎn)形態(tài)及吹損路徑分析，第10根管子的裂紋(位置C處)為第一漏點(diǎn)，其他泄漏點(diǎn)為泄漏蒸汽相互吹損所致。

對同機(jī)組冷灰斗其他相同結(jié)構(gòu)位置水冷壁管及鰭片焊縫進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)水冷壁側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位存在堆焊現(xiàn)象(見圖3)，該位置管子在機(jī)組基建安裝過程中，2根彎管中間由于間隙較小，無法加裝鰭片，施工人員直接用焊條在管子間隙處堆焊密封，但是焊接熱輸入過大，焊接成形質(zhì)量差。另外，其他部位管屏部分鰭片存在裂紋，裂紋沿管子軸向擴(kuò)展(見圖4)，但未擴(kuò)展到母材。

圖3 水冷壁側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位宏觀圖

圖4 鰭片縱向裂紋

2.2 金相檢驗(yàn)

在第10根管子裂紋位置切取金相試樣，試樣經(jīng)磨制拋光后，采用硝酸體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡下觀察金相試樣的組織形態(tài)，結(jié)果見圖5。

由圖5可得：裂紋位置管子外壁存在堆焊層，熱影響區(qū)寬度約4 mm，裂紋從堆焊位置向內(nèi)壁擴(kuò)展并貫穿整個管壁，堆焊層存在魏氏體過熱組織，熱影響區(qū)為貝氏體，靠近熔合線附近存在魏氏體，母材為鐵素體+珠光體，珠光體區(qū)域完整，球化1～2級。堆焊層和熱影響區(qū)均為過熱組織，這是焊接熱輸入過大導(dǎo)致，也從側(cè)面反映出冷灰斗位置管子間隙處采用焊條堆焊密封時焊接工藝不合理，焊接質(zhì)量控制不佳。

2.3 硬度檢驗(yàn)

在第10根管子裂紋位置切取試樣，利用島津HMV-G21ST型顯微維氏硬度計，200 g載荷，10 s保載時間，進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果

由表1可得：第10根管子母材硬度符合DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求，而裂紋位置熱影響區(qū)硬度高于DL/T 438—2016的要求(15CrMo鋼管硬度合格范圍為125～170 HB)，且焊縫和熱影響區(qū)與母材存在較大硬度梯度，這是因?yàn)槔浠叶肺恢霉茏娱g隙處采用焊條堆焊密封后并未做熱處理，焊接接頭仍存在很大的組織應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。

3 綜合分析

3.1 制造安裝過程

水冷壁冷灰斗處側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位彎管之間由于間隙較小，無法加裝鰭片，一般直接用焊條堆焊密封，焊接不合理，焊接熱輸入過大。焊后不進(jìn)行熱處理，導(dǎo)致堆焊層及焊縫熱影響區(qū)存在魏氏體等脆性組織；且堆焊層與管子母材存在較大硬度梯度，導(dǎo)致焊接接頭存在很大的焊接殘余應(yīng)力和組織應(yīng)力，降低了焊縫的熱強(qiáng)性和熱塑性，并一定程度削弱了側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位水冷壁管的抗疲勞性能。另一方面，采用焊條堆焊導(dǎo)致母材表面存在明顯的堆焊層(焊接成形質(zhì)量差)，也進(jìn)一步增加了側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位水冷壁管的應(yīng)力集中水平。

3.2 機(jī)組運(yùn)行

水冷壁側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位因結(jié)構(gòu)突變，導(dǎo)致該位置水冷壁管存在較大結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在目前的用電形勢下，600 MW超臨界機(jī)組也開始參與調(diào)峰，機(jī)組負(fù)荷波動頻繁，時常啟停，導(dǎo)致水冷壁管尤其是冷灰斗側(cè)墻轉(zhuǎn)角等結(jié)構(gòu)突變位置存在較大的熱應(yīng)力，在長期運(yùn)行中，鰭片角焊縫(堆焊層位置)也易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。

4 結(jié)語

通過宏觀分析、金相組織檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn)對水冷壁的失效原因進(jìn)行了深入分析，檢驗(yàn)結(jié)果表明：冷灰斗側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位水冷壁彎管之間因間隙過小用焊條直接堆焊密封，焊接工藝不合理，堆焊層存在魏氏體等脆性過熱組織，降低水冷壁管抗疲勞性能。同時，側(cè)墻轉(zhuǎn)角部位因結(jié)構(gòu)突變，存在較大結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在長期運(yùn)行的過程中，水冷壁管在焊接殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力等作用下于結(jié)構(gòu)突變部位堆焊焊縫熔合線位置產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展貫穿母材導(dǎo)致泄漏。鑒于以上失效原因，筆者建議電廠采用以下防治措施：

(1) 對冷灰斗其他相同結(jié)構(gòu)位置或其他應(yīng)力集中部位的水冷壁管鰭片及鰭片焊縫進(jìn)行全面排查后，發(fā)現(xiàn)鰭片焊接施工質(zhì)量問題，應(yīng)利用檢修計劃進(jìn)行優(yōu)化處理。

(2)對已發(fā)現(xiàn)鰭片裂紋(未擴(kuò)展至母材)，應(yīng)及時處理，防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

(3) 水冷壁鰭片焊縫宜用全氬焊接，采用小規(guī)范參數(shù)，嚴(yán)格控制預(yù)熱、焊接熱輸入等環(huán)節(jié)，避免焊道過熱。新增焊縫需要進(jìn)行100%無損檢測，無損檢測應(yīng)在焊縫充分冷卻后進(jìn)行，防止延遲裂紋產(chǎn)生。

(4) 加強(qiáng)機(jī)組檢修期間受熱面的防磨防爆檢查，重點(diǎn)關(guān)注水冷壁冷灰斗、水冷壁折焰角和人孔門結(jié)構(gòu)突變等區(qū)域，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。