某電廠鍋爐水冷壁爆管原因檢測分析*

武 鑫，王晨山，晏得才，周云飛，張洋洋，石華洲

(甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

水冷壁受熱面是工業和電站鍋爐的主要蒸發受熱面，水冷壁的主要作用是吸收爐內輻射熱，將水加熱成飽和蒸汽，保護爐墻，簡化爐墻結構，減輕爐墻重量，使爐墻外表面溫度降低，吸收爐內熱量，把煙氣冷卻到爐膛出口所允許的溫度，減輕爐內結渣、防止爐膛出口結渣。 作為鍋爐的主要組成部分，水冷壁是鍋爐水循環回路中的基本部件，水冷壁的可靠性，直接影響電廠機組的安全有效運行。

筆者重點對某電廠水冷壁受熱面的一次爆管事故進行分析，得出焊接缺陷和長期過熱可導致水冷壁爆管失效，提出水冷壁受熱面安全運行的幾點建議，為防止日后同類問題的出現提供參考及建議。

1 泄漏事故

2019 年12 月13 日，某電廠運行檢查發現＃2 鍋爐水冷壁泄漏，12 月15 日進入爐內檢查，爆管位于＃2 鍋爐爐右側墻第7 螺旋管屏從下往上數第15 根管(＃8 吹灰器下方、標高約31.5 m 處)，其上部的一根管吹破，下部七根管吹損減薄。 經擴大檢查，發現＃2爐＃3 角噴燃器附近水冷壁管排存在6 處爆口，機械切槽1 處，爐左墻17.5 m ＃2 吹灰器下方發生泄漏。水冷壁規格為?38×7.3 mm，材質為15CrMoG。

2 號機組為35 萬千瓦超臨界一次中間再熱氫冷燃煤機組，制造廠為哈爾濱鍋爐廠，型號為HG-1100/25.4-HM2，主蒸汽流量及再熱蒸汽流量為1 100 t/912.66 t，主蒸汽壓力及再熱蒸汽出口壓力為25.4 MPa/3.87 MPa，主蒸汽溫度及再熱蒸汽出口溫度為571 ℃/569 ℃，燃燒方式為四角切圓燃燒。

2 檢查與分析

2.1 爆口宏觀檢查

宏觀檢查爐右墻第7 螺旋管屏從下往上數第15根水冷壁管(以下簡稱＃15 管)及附近管排發現，爆口位于＃15 管由爐后至爐前約8 m 處，爆口附近區域管壁表面顏色發黑，存在較厚的焦渣及氧化皮，與相鄰管子表面顏色存在差異，爆口及附近區域管子明顯脹粗變形。 爆口為縱向，長度約44 mm，開口寬度約15 mm，爆口邊緣最薄處厚度約4 mm，爆口邊緣斷面粗糙不平整，存在多條與爆口方向平行的裂紋，從上述特征看，該爆口具有長期過熱爆管特征，見圖1。

圖1 爆口宏觀形貌

＃15 管將其上部的＃16 管吹損至泄漏，泄漏孔洞直徑約4 mm，其下部＃8～＃14 管共7 根有不同程度的吹損減薄，見圖2。

圖2 現場爆口位置

宏觀檢查＃3 角噴燃器附近水冷壁管排爆管管樣向火側發現存在6 處爆口，機械切槽1 處，＃15 管宏觀檢查爆口有3 個，爆口編號為＃15-1、＃15-2、＃15-3，沿介質流向方向測量爆口直徑分別約為3.0、4.5、2.0 mm；＃16 管爆口有2 個，爆口編號為＃16-1、＃16-2，沿介質流向方向測量爆口直徑分別約為1.0、3.0 mm；＃17 管宏觀檢查爆口有1 個，爆口編號為＃17-1，直徑約為6.0 mm ；＃14 管距弧頂約70 mm 處發現機械切槽1 處，切槽編號為＃14-1，切槽長度約為14.0 mm，寬度約為3.0 mm，深度約為1.5 mm。

對爆口宏觀形貌分析判斷，位于＃3 角噴燃器附近水冷壁管排爆管管樣上順介質流向＃16 管前端對接焊口的一處開裂為原始泄漏點，其余6 處爆口漏點邊緣均存在明顯吹損減薄，漏點附近管子均未發現有明顯脹粗現象，＃15 管在起彎處有2 道焊縫，焊縫間距約50 mm，焊縫兩側管道對口偏斜，不符合DL/T 869-2012《火力發電廠焊接技術規程》[1]標準規定。

＃2 爐＃3 角水冷壁管樣上＃15 管和＃16 管在轉角部位分別焊接一段短管。 原始開裂點位于16 號管短管順介質流向前端焊縫(焊縫a)。 對4 個焊縫進行解剖發現，＃16 管焊縫a 根部存在嚴重未焊透、錯口及裂紋，見圖3、4。 未焊透深度約為4 mm，錯口錯邊量最大約為2 mm，裂紋深度約為5.3 mm。 裂紋由根部未焊透邊緣應力集中部位產生，并由管子內壁向外壁擴展，最終貫穿焊縫造成泄漏。

圖3 錯口、裂紋(宏觀)

圖4 裂紋(微觀)

＃16 管焊縫b 焊口對口彎折角度過大(約9°)，遠大于DL/T 869-2012《火力發電廠焊接技術規程》標準規定。 焊縫根部存在嚴重未焊透、焊瘤及錯邊現象，見圖5。

圖5 彎折度過大、焊瘤

＃14 管和＃15 管之間無鰭片，用鋼筋填充間隙后焊接在一起，見圖6；＃15 管和＃16 管之間間隙很小也未加鰭片，在填充鋼筋后將管子直接焊接在一起，見圖7。

圖6 ＃14 管和＃15 管之間

圖7 ＃15 管和＃16 管之間

2.2 爐左墻吹灰器附近水冷壁宏觀檢查

宏觀檢查爐左墻吹灰器下方水冷壁管，發現鰭片焊縫處開裂，裂紋由鰭片焊縫端頭分別向向火側和背火側兩側母材延伸，向火側裂紋長度為15 mm，背火側裂紋長度為19 mm，鰭片寬度為14 mm，裂紋總長度為48 mm，經解剖后發現裂紋在管子內部已經貫穿，管子內弧面裂紋長度為5 mm，開裂泄漏點附近管子未見明顯脹粗。

2.3 爆口部位尺寸測量

用游標卡尺對右墻第7 螺旋管屏從下往上數第15 根水冷壁爆口邊緣進行厚度檢測，測量3 次，分別是4.5、4.0、5.1 mm，最薄處厚度為4.0 mm，對爆口寬度和長度進行測量，爆口中心寬度為15 mm，爆口中心長度為44 mm。

2.4 爆管及相鄰管子脹粗測量

分別對右墻第7 螺旋管屏從下往上數第15 根水冷壁管爆口附近＃15 管(爆管)、＃14 管、＃13 管、＃12管、＃11 管、＃10 管、＃9 管測量內徑，結果見下表1。 測量結果顯示，＃15 管爆口附近脹粗較明顯，其余水冷壁管脹粗并不明顯。

表1 爆管管排直徑/mm

續表1 爆管管排直徑/mm

2.5 爐左墻吹灰器附近水冷壁管磁粉檢測

對吹灰器下方水冷壁管鰭片裂紋周圍進行磁粉檢測，發現向火側存在約50 mm×30 mm 的區域密集型微裂紋，見圖8，背火側存在約38 mm×15 mm 的區域密集型微裂紋，裂紋與管子軸向大致垂直，裂紋之間呈互相平行的叢狀，在主裂紋裂紋源附近略呈輻射狀，從裂紋的形貌上看，帶有熱疲勞裂紋的特征不符合NB/T47013.4-2015[2]標準規定。

圖8 向火側裂紋

2.6 材質分析

(1) 爆口附近材質分析

對＃15 管(15CrMoG)爆口附近向火側及背火側采用臺式光譜儀進行材質成分分析，分析結果見表2。

表2 水冷壁爆口附近成分分析/%

光譜分析結果表明爆口向火側材料C 含量為0.1%，低于GB/T 5310-2017[3]標準規定(0.12%～0.18%)，爆管向火側材料中其他化學元素含量符合標準規定，背火側材料化學元素含量均符合GB/T 5310-2017 標準規定值，造成此現象的原因為向火側管壁長期超溫造成表面脫碳。

(2) 噴燃器附近材質分析

對＃3 角噴燃器附近靠爐后側＃15 管(15CrMoG)向火側及背火側采用臺式光譜儀進行材質成分分析，分析結果見下表3。

表3 水冷壁噴燃器附近成分分析/%

光譜分析結果表明噴燃器附近＃15 管向火側及背火側化學元素含量均符合GB/T 5310-2017 標準規定值。

(3) 吹灰器附近材質分析

對爐左墻17.5 m ＃2 吹灰器下方水冷壁管(15CrMoG)及鰭片采用便攜式光譜儀進行材質成分分析，分析結果見下表4 所列。

表4 爐左墻水冷壁吹灰器附近成分分析/%

光譜分析結果表明爐左墻17.5 m ＃2 吹灰器下方水冷壁管及鰭片化學元素含量均符合GB/T 5310-2017 標準規定。

2.7 硬度檢測

(1) 爆口附近硬度

對＃15 管爆口向火側和背火側及爆口縱向同一橫截面的＃16 管、＃14 管、＃13 管、＃12 管向火側母材采用便攜式里氏硬度計進行硬度檢測，分析結果見表5所列。

表5 爆口附近受熱面管硬度/HB

試驗結果表明＃15 管背火側和＃16 管向火側母材硬度值均低于DL/T438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》標準規定值，＃15 管向火側母材高于DL/T438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》[4]標準規定值。 ＃15 管向火側母材硬度偏高，原因估計是超溫爆管后因介質的急速冷卻而局部發生淬火現象造成的。

(2) 噴燃器附近管樣硬度測試

對＃2 爐＃3 角噴燃器附近水冷壁管排爆管管樣表面采用便攜式里氏硬度計進行硬度檢測，硬度測點部位為＃3 角噴燃器附近＃15 管相鄰兩條焊縫和母材及＃16 管開裂焊縫和母材(注:沿介質流向第1 條焊縫為a 焊縫，沿介質流向第2 條焊縫為b 焊縫)，分析結果見表6 所列。

表6 噴燃器附近受熱面管硬度/HB

試驗結果表明＃3 角噴燃器附近＃15 管和＃16 管管樣母材硬度測試值均低于DL/T438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》標準規定值，有必要在相鄰部位直管段取樣進行拉伸試驗以驗證材料強度。

2.8 力學檢測

對＃15 管爆口前直管進行拉伸試驗，分析結果見表7 所列。

表7 ＃15 管爆口前直管力學性能結果

試驗結果表明＃15 管爆口前直管向火側抗拉強度高于GB/T 5310-2017 標準規定值，斷后伸長率(縱向)低于GB/T 5310-2017 標準規定值。 ＃15 管爆口前直管背火側屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率(縱向)符合GB/T 5310-2017 標準規定值。

2.9 爆口附近金相組織分析

(1) 檢測部位說明

對＃15 管爆口附近向火側、背火側分別取金相試樣各一塊，＃16 管向火側母材取金相試樣一塊，組織見圖9～11。

圖9 ＃15 管爆口向火側微裂紋100×

(2) 顯微組織結果分析

＃15 管爆口向火側母材金相組織中珠光體形態已完全消失，金相組織為鐵素體和貝氏體，存在大量蠕變孔洞及蠕變微裂紋，且存在超溫爆管后介質急速冷卻造成的淬火組織。 ＃15 管爆管背火側和＃16 管向火側金相組織均為鐵素體和珠光體，＃15 管爆管背火側組織未發現明顯老化跡象，＃16 管向火側金相組織中珠光體有輕度分散，在晶界處出現部分細碎的不完全重結晶組織，說明爆管泄漏后有短時超溫現象。

圖10 ＃15 管爆口背火側母材組織500×

圖11 ＃16 管向火側母 材組織500×

2.10 噴燃器附近管樣金相組織

(1) 檢測部位說明

對2＃爐噴燃器附近＃15 管上1 條焊縫和＃16 管上1 條焊縫和進行金相取樣，沿介質流向方向焊縫為＃15 管a 焊縫，＃16 管沿介質流向方向焊縫為＃16 管a焊縫，金相組織分別見圖12～15。

圖12 ＃15 管a 焊縫附近向火側母材500×

圖13 ＃15 管a 焊縫向火側焊縫200×

圖14 ＃16 管a 焊縫附近向火側母材500×

圖15 ＃16 管a 焊縫向火側焊縫200×

(2)顯微組織結果分析

從金相組織上看＃15 管和＃16 管焊縫均為貝氏體組織，未見明顯老化；母材組織均為鐵素體加珠光體組織，珠光體球化1.5 級。

3 結 語

文中對某電廠鍋爐水冷壁受熱面管泄漏事故進行失效分析，通過多種檢測手段得出的失效原因如下。

(1) ＃2 爐＃3 角水冷壁管爆管的主要原因是第16 根管在轉角部位短管焊縫宏觀焊接缺陷，由于焊縫存在嚴重未焊透和錯口，造成焊縫承載截面減小和根部應力集中，最終導致焊縫開裂并吹損相鄰管子引起爆管泄漏。

(2) ＃2 鍋爐爐右側墻第7 螺旋管屏由下往上數第15 根水冷壁爆管的主要原因是管子長期過熱導致的蠕變損傷，造成長期過熱的原因主要是焊接缺陷或管內異物造成管子通流截面減小，介質流速降低，管壁超溫。 15 號管在＃3 角噴燃器附近短管焊縫內部錯口、根部凸出、焊縫兩側管道對口偏斜等焊接缺陷均可能造成其通流面積減小和管壁長期超溫。 另外，15號管在＃3 角燃燒器附近出現3 處吹損泄漏也會造成介質損失，使管壁超溫加劇[5]。

(3) 吹灰器附近鰭片處管子開裂是由于吹灰器附近水冷壁管承受較大交變熱應力，在其影響下應力集中區產生熱疲勞裂紋，裂紋由外壁向內壁擴展，最終貫穿管壁造成泄漏。

針對得出的失效原因，提出以下幾點改進建議。

(1) 建議進一步排查和消除引起15 號管超溫的原因，并對此次搶修中15 號管未更換部分及16 號管加強監督檢查，擇機割管取樣進行力學性能試驗，了解材料強度變化情況，必要時及時進行更換。

(2) 擴大檢查吹灰器附近密封板與鰭片及水冷壁管連接部位，特別是應力集中部位及溫度急劇變化區域，改進結構設計，采取必要的防護措施防止管壁溫度大幅波動。

(3) 利用檢修擴大檢查，徹底查找和消除焊接缺陷，防止因焊接及對口缺陷造成的管子通流截面減小和應力集中開裂。

(4) 加強運行管理，防止超溫超壓運行。

(5) 規范檢修工藝，嚴格把好檢修質量關。 對于存在磨損、腐蝕、劃傷、變形、鼓包、氧化及表面裂紋等異常情況的受熱面管子，應做好記錄和跟蹤檢查，情況嚴重的應及時更換。