電站鍋爐水冷壁管子焊縫開裂原因分析

李小珍

（神華福能（福建雁石）發(fā)電有限責(zé)任公司 福建龍巖 364000）

0 引言

隨著國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)已投產(chǎn)和在建的超超（含高效超超）臨界機(jī)組規(guī)模均居世界首位，標(biāo)志著我們?cè)诔R界火電技術(shù)領(lǐng)域有了跨越式的發(fā)展，火力發(fā)電技術(shù)與國(guó)外縮短了30 a～40 a，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平［1］。但隨著超超臨界運(yùn)行機(jī)組的增多，運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，水冷壁早期失效、爆漏問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)并越來(lái)越突出，某些電廠甚至因此而頻繁非計(jì)劃停運(yùn)，成為影響超超臨界機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

與超臨界鍋爐比較，超超臨界鍋爐水冷壁布置復(fù)雜、結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)雜，承擔(dān)著加熱給水和部分過(guò)熱飽和蒸汽的作用，具有容量大、蒸發(fā)受熱面積大、不再有汽水兩相區(qū)、壁面熱負(fù)荷高、溫度偏差大、水冷壁熱應(yīng)力變化較大等特點(diǎn)。水冷壁內(nèi)徑選得較小，水冷壁管對(duì)壁溫異常較為敏感。隨著運(yùn)行溫度的提高，高溫氧化更嚴(yán)重，管壁傳熱進(jìn)一步惡化。尤其是國(guó)內(nèi)超超臨界機(jī)組參與調(diào)峰，負(fù)荷變化波動(dòng)大，水冷壁瞬時(shí)溫度變化頻繁，熱疲勞機(jī)理導(dǎo)致爆管的作用更加顯著。同時(shí)部分超超臨界鍋爐采用的新材料有一些不確定因素，加上制造、安裝、運(yùn)行、維護(hù)、監(jiān)督、管理等原因，進(jìn)一步增加了超超臨界鍋爐水冷壁的泄漏風(fēng)險(xiǎn)［2-4］。

電站鍋爐“四管泄漏”是造成火電機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的最重要因素之一。根據(jù)某集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，“四管泄漏”占機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)51%，其中水冷壁泄漏占“四管泄漏”比例高達(dá)38.7%，成為影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行和保障供電安全的重要因素。因此深入分析鍋爐“四管泄露”，尤其是水冷壁泄漏原因，制定對(duì)應(yīng)防控措施，顯得尤為迫切。以下針對(duì)某超超臨界鍋爐水冷壁服役后對(duì)接焊縫開裂泄漏進(jìn)行分析及探討。

1 問(wèn)題概述

某電廠鍋爐為660MW 超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，型號(hào)為HG-2042/26.15-YM3。鍋爐采用П 型布置、單爐膛、改進(jìn)型低NOx 分級(jí)送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、墻式切圓燃燒方式，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)、一次中間再熱，過(guò)熱蒸汽出口溫度605 ℃、出口壓力26.15 MPa，再熱蒸汽出口溫度603 ℃、出口壓力5.974 MPa；鍋爐采用平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)。該機(jī)組于2010 年投運(yùn)，至2019 年11 月泄漏時(shí)累計(jì)運(yùn)行約6.5 萬(wàn)h。

泄露管子位于A 側(cè)水冷壁出口集箱下直管第一道對(duì)接焊縫，如圖1 所示，該焊縫位于頂棚向上200 mm。對(duì)類似位置焊縫進(jìn)行磁粉檢測(cè)擴(kuò)檢，共檢測(cè)焊縫19 道，發(fā)現(xiàn)12 道存在裂紋，裂紋均位于焊縫的A 側(cè)半周；所檢焊縫的B 側(cè)半周均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖1 泄漏位置示意圖

該水冷壁管子材質(zhì)為15CrMoG，規(guī)格Φ28.6×6.2 mm。為分析水冷壁管子對(duì)接焊縫泄漏原因，對(duì)該管子依照GB/T 223、GB/T 6394、GB/T 231.1、GB/T 228.1、DL/T 884、DL/T 787 等 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了宏觀檢查、幾何尺寸測(cè)量、化學(xué)成分分析、金相組織檢驗(yàn)、掃描電鏡分析、硬度測(cè)試等試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 外觀檢查及幾何尺寸測(cè)量

水冷壁爐A 側(cè)外壁下側(cè)母材焊縫熔合線附近存在沿圓周長(zhǎng)約22 mm的裂紋，約占整個(gè)管子周長(zhǎng)的四分之一，管子內(nèi)壁裂紋長(zhǎng)度約為4 mm，裂紋形貌如圖2（a）、2（b）所示，可以初步判斷裂紋由外壁產(chǎn)生，并沿周向向內(nèi)壁擴(kuò)展。沿管樣縱向剖開，裂紋由外壁熔合線附近產(chǎn)生，垂直于管樣表面沿壁厚方向向內(nèi)壁擴(kuò)展，如圖2（c）所示。裂紋斷面形貌如圖2（d）所示，裂紋附近斷口未見明顯的塑性變形。由圖2（e）可以看出，管樣焊縫的上下兩側(cè)在焊接時(shí)內(nèi)壁存在錯(cuò)口，錯(cuò)口值約為1 mm，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 869—2012的要求：對(duì)接單面焊的局部錯(cuò)口值要求為不應(yīng)超過(guò)壁厚的10%，且不大于1 mm，以焊縫上側(cè)管子為基準(zhǔn)，焊縫下側(cè)管子向A 側(cè)錯(cuò)口偏移。且裂紋側(cè)的熱影響區(qū)寬度大于裂紋對(duì)面?zhèn)取?/p>

圖2 裂紋位置示意圖及各部位形貌

用游標(biāo)卡尺對(duì)管樣（規(guī)格為Φ28.6×6.2 mm）進(jìn)行壁厚和外徑測(cè)量，表明焊縫兩側(cè)管樣的壁厚未見減薄，外徑未見明顯脹粗。

2.2 化學(xué)成分分析

在水冷壁焊縫的上側(cè)和下側(cè)母材上制取粉末樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析。分析測(cè)試儀器為：C、S 紅外碳硫分析儀；其它元素ICP-AES 全譜直讀等離子體發(fā)射光譜分析儀。結(jié)果如表1 所示，管樣各元素含量與15CrMoG 鋼相符［5］。

表1 能譜分析結(jié)果列表 單位：wt%

2.3 金相組織檢驗(yàn)

對(duì)管樣的不同部位進(jìn)行金相分析，金相組織形貌如圖3所示。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知：裂紋產(chǎn)生于管樣外壁熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，垂直于管樣表面向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋附近外壁存在較厚的氧化皮，裂紋兩側(cè)斷面也存在較厚的氧化物。焊縫的顯微組織為貝氏體，上側(cè)母材的顯微組織為鐵素體加珠光體，球化2級(jí)，平均晶粒度7～8 級(jí)。下側(cè)母材的顯微組織為鐵素體加珠光體，球化3 級(jí)，平均晶粒度8～9 級(jí)。

圖3 各部位顯微組織

2.4 掃描電鏡分析

使用FEI Quanta 400 型掃描電鏡對(duì)含焊縫側(cè)的開裂斷口進(jìn)行SEM 形貌觀察，清洗前的斷口存在較厚的氧化皮，經(jīng)OXFORD INCA Energy X 射線能譜儀分析，未發(fā)現(xiàn)有害元素S、Cl等的存在，主要為Fe 和O 元素。使用弱酸對(duì)斷口上的氧化皮進(jìn)行多次清洗，清洗后的斷口微觀形貌如圖4 所示。結(jié)果表明試樣斷口呈現(xiàn)出明顯的冰糖塊形貌，即為典型的脆性沿晶開裂特征，且伴有沿晶二次裂紋。

圖4 斷口形貌

2.5 硬度試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2009，在VH1150 型維氏硬度試驗(yàn)機(jī)上對(duì)裂紋開口最大處（編號(hào)1 號(hào)）、裂紋尖端（編號(hào)2 號(hào)）及裂紋開口最大處對(duì)面?zhèn)龋ň幪?hào)3 號(hào)）的縱向試樣壁厚中部進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，由上側(cè)母材壁厚中部處開始每隔2 mm 測(cè)量1 點(diǎn)，試驗(yàn)載荷為98 N，保荷10 s。試驗(yàn)結(jié)果如表2 所列，結(jié)果表明各部位的硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但1 號(hào)試樣上側(cè)母材和焊縫的硬度均接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限。

表2 各部位硬度試驗(yàn)結(jié)果

3 原因分析

管樣焊縫的上下兩側(cè)在焊接時(shí)內(nèi)壁存在錯(cuò)口，錯(cuò)口值約為1 mm，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 869的要求。管樣裂紋產(chǎn)生于外壁熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，垂直于管樣表面沿壁厚方向向內(nèi)壁擴(kuò)展，為脆性的沿晶斷裂，并有沿晶的二次裂紋，焊縫上側(cè)和下側(cè)母材的顯微組織未見明顯異常，裂紋開口最大處的上側(cè)母材和焊縫的硬度均接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限。

管樣焊縫的上下兩側(cè)焊接對(duì)口時(shí)內(nèi)壁存在錯(cuò)口，使焊縫下側(cè)管子向A 側(cè)錯(cuò)口偏移形成的彎曲力矩，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。焊接接頭處于頂棚上方200 mm 處，管子穿頂棚時(shí)可活動(dòng)的范圍較小，極易因膨脹或其他原因卡死，從而使焊接接頭處存在較大的拘束應(yīng)力。運(yùn)行過(guò)程中的管系結(jié)構(gòu)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及其他附加應(yīng)力等相互疊加存在于焊接接頭中。根據(jù)2019 年11 月對(duì)類似位置其他焊縫進(jìn)行抽檢的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)所檢的19 道焊縫中，12 道存在裂紋，且裂紋均位于焊縫A 側(cè)半周，可以判斷此位置焊縫的A 側(cè)面整體存在較大的應(yīng)力水平。焊接接頭的粗晶區(qū)為過(guò)熱區(qū)，是整個(gè)焊接接頭的薄弱區(qū)域，從而導(dǎo)致裂紋在焊接接頭應(yīng)力水平較大的A 側(cè)粗晶區(qū)產(chǎn)生、擴(kuò)展直至泄漏。

4 結(jié)論

水冷壁管對(duì)接焊縫裂紋產(chǎn)生于焊縫熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，在管系結(jié)構(gòu)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及其他附加應(yīng)力等應(yīng)力的作用下使裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展直至泄漏。為防止水冷壁泄露造成的非計(jì)劃停運(yùn)，對(duì)口時(shí)應(yīng)注意防止管子錯(cuò)口，同時(shí)管子在穿過(guò)頂棚應(yīng)注意留有一定的膨脹余量，避免管系結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)大。