循環流化床鍋爐水冷壁管泄漏原因探討

王宏偉

（山西京能呂臨發電有限公司，山西呂梁 033200）

0 引言

超臨界循環流化床鍋爐同時兼備循環流化床鍋爐清潔燃燒和超臨界鍋爐高效節能的優點，具有良好的應用前景，是潔凈煤發電技術的合理選擇。隨著循環流化床鍋爐的升級換代，超臨界循環流化床鍋爐在各地陸續開工建設并投入運行。目前，350 MW超臨界循環流化床鍋爐已投運20余臺，在機組調試及運行過程中，新的問題陸續暴露出來。由于超臨界鍋爐水冷壁管管徑小，鰭片較窄，加之現場作業空間限制，容易造成焊接質量問題，同時鍋爐在調試期間機組啟停頻繁，快速、大幅值的負荷變化造成的應力會加快焊接缺陷的劣化，導致鍋爐發生爆管。

1 鍋爐水冷壁管泄漏情況

某電廠1號鍋爐為東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司自主開發并生產的型號為DG-1186/25.31-Π1型的超臨界參數循環流化床鍋爐。鍋爐采用單布風板、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、M型布置、循環流化床燃燒方式，采用高溫冷卻式旋風分離器進行氣固分離，鍋爐整體支吊在鍋爐鋼架上。

1號機組于2019年7月20日點火開始整套啟動，7月27日并網成功，進行機組涉網試驗。9月15日，1號機組正常運行，1號機組負荷199 MW，爐膛負壓-38 Pa，運行過程中巡檢員發現前墻3號給煤機落煤口10.3 m附近保溫滴水，聯系鍋爐專業和施工單位人員就地檢查后初步確認為前墻水冷壁管泄漏。

拆保溫后發現標高約10.3 m處前側水冷壁（3號給煤口下方）管子之間鰭片吹損，蒸汽從鰭片的吹損缺口處外泄，側面觀察鰭片缺口處可看到燒紅的爐墻澆筑料，判斷泄漏點位于爐膛布風板上方，該區域為燃燒密相區，爐墻向火面覆蓋有澆筑料。

停爐后檢查爐墻外側水冷壁管無泄漏，僅第443根管子與第444根管子之間鰭片吹損；清除爐墻向火面澆筑料后發現第443、444、445根管子現場有多處吹損的泄漏小口，其中最大泄漏口10 mm×0.3 mm，鰭片上最大吹損口25 mm×10 mm。管道材質15CrMoG，規格d 31.8 mm×6.5 mm，鰭片材質15CrMo，規格6.4 mm×18 mm。泄漏處附近有現場安裝焊口，焊口處可見明顯的吹損減薄和泄漏痕跡。

2 水冷壁管樣試驗內容與結果

2.1 送檢管樣詳情

對泄漏的水冷壁管進行取樣送檢，送檢的水冷壁共計3根，其詳細信息如表1所示。

表1 水冷壁管樣詳細信息

2.2 宏觀形貌觀察

對泄漏的水冷壁管進行宏觀形貌觀察，檢查其是否存在原始缺陷、磨損、機械損傷、氧化、腐蝕及焊接缺陷等痕跡，鋼管有無脹粗及減薄等特征。取樣的第443、444和445根水冷壁管的向火側均存在多處漏點，各鋼管表面吹損嚴重。其中第443根管上存在2處漏點，第444根管上存在6處漏點，第445根管上存在2處漏點，各鋼管向火側表面均焊接有抓釘。

經內外壁觀察分析，第444根鋼管上的漏點1位于鋼管對接焊縫上，裂口細長，與焊縫軸線垂直呈橫向分布，且該漏點周圍存在明顯的由泄漏高溫高壓蒸汽吹損周邊區域形成的放射狀溝槽，其他2根鋼管上的各漏點均處于漏點1泄漏介質吹損溝槽所對應的路徑上。因此，可以初步判定初始漏點為第444根鋼管對接焊縫上的漏點1，該漏點泄漏的高溫高壓蒸汽伴隨煙氣的作用將其左右相鄰的第443根和第445根鋼管吹損至泄漏。此外，3根鋼管均未見明顯脹粗、腐蝕損傷及嚴重氧化皮等缺陷。

2.3 化學分析

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法》要求，利用SPECTROMAXx型臺式直讀光譜儀，對泄漏的水冷壁管及其焊縫取樣進行化學成分分析，以確定管材及焊縫的化學成分是否符合設計材質的標準要求。

對第444根水冷壁管母材及焊縫分別取樣進行化學成分檢測，檢測結果顯示，水冷壁管母材及焊縫熔敷金屬的各元素含量均符合相關技術標準的要求。

2.4 顯微組織檢測

按照DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與評定技術導則》要求，利用Axio Observer.Alm型金相顯微鏡，對泄漏的水冷壁取樣進行顯微組織檢測，確定其金相組織是否正常。

對3根水冷壁樣管自漏點部位分別取樣進行顯微組織分析。第444根水冷壁管，其漏點位于焊縫上，漏點處存在貫穿內外壁的主裂紋，主裂紋邊緣及附近存在較多沿晶界分布的細小微裂紋，裂紋內部有一定氧化現象。焊縫組織為貝氏體+少量鐵素體，開裂部位及正常部位的晶粒均未發生拉長變形。母材的金相組織為等軸狀均勻分布的鐵素體+珠光體，未見明顯球化。

對第443根水冷壁管漏點處取樣進行顯微組織檢測，其漏點位于母材上，爆口尖端金相組織也為等軸狀均勻分布的鐵素體+珠光體，未見明顯拉長畸變，珠光體未見明顯球化。

對第445根水冷壁管漏點處取樣進行顯微組織檢測，其上2處漏點分別位于母材和焊縫上。母材上的漏點其尖端金相組織也為等軸狀均勻分布的鐵素體+珠光體，未見明顯拉長畸變，珠光體未見明顯球化。焊縫上漏點其尖端的組織為貝氏體+索氏體+少量鐵素體，晶粒未見拉長畸變，焊縫中也未見沿晶或穿晶裂紋。

2.5 硬度試驗

按照GB/T 23 1.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》要求，利用THBC-3000DA型圖像處理式布氏硬度計，對水冷壁管母材及焊縫分別進行硬度測試，以確定管材及焊縫的硬度是否符合標準要求。

對泄漏的第444根水冷壁管母材及焊縫分別取樣進行硬度測試，檢測結果如表2所示。由表2可以看出，水冷壁15CrMoG管材的硬度符合標準要求，但焊縫的硬度高于標準要求。

表2 樣管及其焊縫的硬度測試結果

3 試驗結果分析

從宏觀形貌分析，第444根鋼管上的漏點1位于鋼管對接焊縫上，裂口細長，與焊縫軸線垂直呈橫向分布，該漏點為初始漏點。該漏點泄漏的高溫高壓蒸汽伴隨煙氣的作用將其左右相鄰的第443根和第445根鋼管吹損至泄漏。

從化學成分分析，水冷壁管母材和焊縫熔敷金屬的化學成分均符合標準要求，排除管材和焊材錯用材質的情況。

從金相組織分析，第444根水冷壁管焊縫上的漏點處貫穿性的主裂紋局部呈沿晶狀分布，主裂紋邊緣及附近存在較多沿晶界分布的細小微裂紋，封閉裂紋內部有一定氧化的現象，具有較為典型的結晶熱裂紋特征。

從力學性能分析，水冷壁管母材的硬度符合標準要求，焊縫的硬度偏高，在一定程度上增加了焊縫的脆性，導致管道抗疲勞性能變差，機組在調試運行過程中多次負荷變化導致的循環載荷作用進一步加劇了裂紋擴展的速度和程度。

從鍋爐運行方式分析，由于循環流化床鍋爐主要依靠流化態的床料及燃料混合物燃燒加熱介質，爐膛內床料蓄熱量大，在正常燃燒期間，床溫為870℃左右，個別情況下床溫可達970℃，當發生鍋爐跳閘時，一次風機切除，床料無法再維持流化狀態，全部聚集于氣化風板之上，失去一次風冷卻后，大量的熱量會傳導至部分板上0.8～1.0 m的澆注料及其下面的水冷壁之上，造成鍋爐水冷壁管受熱變化較大，膨脹及收縮產生較大應力，此時若水冷壁管存在結晶熱裂紋等缺陷，就會加快鍋爐水冷壁管的劣化[1]。1號鍋爐從首次點火整套啟動，至本次爆管，共發生13次鍋爐跳閘，同時伴隨著機組負荷的較大變化，由此產生的應力對水冷壁管已有裂紋的擴展產生了極大的促進作用，最終導致爆管的發生[2]。

從受力角度分析，水冷壁管在運行過程中既要承受內部高溫高壓介質形成的一次應力，還要承受鍋爐啟停及負荷變化過程中管系膨脹—收縮產生的二次應力。在上述應力疊加作用下，焊縫內部的結晶微裂紋擴展至貫穿焊縫而引發泄漏。

4 防范措施

首先，應認真排查其他同類型的焊縫是否存在焊接熱裂紋的情況，發現問題及時處理。其次，結晶裂紋往往尺寸微小，現場無損檢測一般難以有效檢出，故應嚴格控制各級受熱面的焊接工藝和焊接操作，保證受熱面的焊接質量。再次，應優化運行方式，避免機組的頻繁啟停及快速、大幅值的負荷變化工況，以免再次發生類似泄漏事故。