鍋爐省煤器吊掛管焊縫開裂泄漏原因分析

胡美些，張艷飛

（1.內蒙古機電職業技術學院，內蒙古呼和浩特 010070；2.內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

省煤器由一系列并聯的蛇形管組成，是在鍋爐尾部煙道中加熱鍋爐給水的受熱面，從鍋爐尾部煙道來的煙氣進入省煤器自上而下流動，鍋爐給水通過吊掛的蛇形管自下而上流動時，便實現了煙氣余熱加熱鍋爐給水，完成了熱量的自動交換，既節省燃料，又可降低排煙溫度，是鍋爐安全、穩定、高效運行的重要部件。據統計，在161 臺受統計的低溫省煤器樣本中，發生泄漏事故的就有68 臺，泄漏占比高達42.2%[1]。某電廠1#鍋爐2020 年5 月21 日在檢修后進行的水壓試驗過程中，低溫再熱器管排3 層前側右數第1 根省煤器吊掛管對接焊縫處發生開裂泄漏。該1#鍋爐為東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司生產，型號為DG-670/13.7-20 型，超高壓參數、一次中間再熱、自然循環燃煤鍋爐，采用п 形布置、單爐膛、燃燒器四角布置，切圓燃燒、平衡通風、固態排渣、采用容克式二分倉回轉式預熱器、鋼構架（雙排柱），設計為帶基本負荷并可調峰的運行方式，該機組于2005 年6 月5 日投產運行。省煤器吊掛管規格為442 mm×5.0 mm，材料為20G。20G 是優質碳素結構鋼，屬于鍋爐常用鋼，具有較好的彎曲、沖擊和抗拉性能，廣泛用于制造高壓或高參數的鍋爐受熱面管子，如低溫段的過熱器、屏式過熱器的前屏、省煤器及水冷壁等。這種材料在焊接過程中，會由于焊接溫度高引起晶粒粗大，在熱影響區易形成魏氏組織[2-3]。母材中的珠光體在服役溫度下會有自發的球化過程，溫度越高、應力越大，碳原子擴散得越快，珠光體球化現象越嚴重，力學性能呈波動性下降[4]。為找出1#鍋爐省煤器吊掛管泄漏原因，保證機組安全、穩定、連續運行，對泄漏的省煤器吊掛管進行綜合性失效原因分析。

1 試驗內容

1.1 宏觀形貌觀察與分析

對泄漏的省煤器吊掛管進行宏觀形貌檢查，鋼管無明顯機械損傷和腐蝕痕跡，管徑無明顯脹粗，未見明顯減薄（圖1）。對鋼管外壁進行滲透檢測，鋼管對接焊縫中間存在2 條縱向裂紋缺陷，主裂紋走向沿鋼管周向擴展，裂紋細小，長度約為20 mm，主裂紋擴展路徑上還有細微分叉發紋。自裂紋處沿鋼管軸向將管剖開，可見其中1 條裂紋已貫穿管壁。此外，在焊縫附近管子外壁可以觀察到明顯的附著層。

圖1 開裂的省煤器吊掛管宏觀形貌

1.2 化學成分檢測與分析

對泄漏的省煤器吊掛管未開裂處取樣進行化學成分檢測，鋼管的化學成分符合相關標準要求，不存在材料錯用現象（表1）。

表1 省煤器吊掛管20G 化學成分檢測結果%

1.3 顯微組織檢測與分析

對開裂泄漏的省煤器吊掛管焊縫、母材、熱影響區、噴涂層等部位取樣進行顯微組織檢測。如圖2 所示，主裂紋位于焊縫內部，已貫穿管壁，主裂紋附近存在多條枝杈狀裂紋缺陷，裂紋均沿焊縫一次結晶晶界分布。焊縫組織為大量的枝晶狀鐵素體和少量的索氏體（細珠光體），由于焊接冷卻速度較快，結晶后的成分來不及通過擴散趨于一致，先結晶的鐵素體含碳及其他合金元素及雜質元素較少，后結晶的索氏體除鐵之外的其他元素較多，導致枝晶主干與側枝及晶間存在不同程度的成分偏析，是引起裂紋的原因之一。熱影響區熔合線附近存在粗大的針葉狀魏氏組織，這種組織力學性能較差，特別是沖擊韌性很低，焊縫中較少出現，主要出現在低碳鋼和低合金鋼熱影響區的過熱區內[5]。鋼管母材組織為多邊形的鐵素體基體和分布于晶界上的呈帶狀和球狀的珠光體，珠光體球化等級2 級。開裂處附近鋼管外壁存在附著層，厚度為259 μm。

圖2 泄漏的省煤器吊掛管微觀組織

1.4 附著層能譜分析

對省煤器吊掛管外壁附著層及焊縫區裂紋進行能譜分析（EDS）。結果顯示，附著層內O 元素、C 元素的含量異常高，可以推測，表層附著層應為高碳的噴涂材料。焊縫區裂紋內有C、S、Si 元素聚集，如圖3 所示。

圖3 省煤器吊掛管外壁附著層及焊縫區裂紋EDS 譜圖

2 試驗結果及分析

由金相組織分析可知，雖然鋼管母材及焊縫組織未見明顯異常，但是緊靠熔合線的熱影響區存在粗大魏氏組織。由于焊接過程中冷卻速度較快，魏氏組織很容易出現于熔合區和熱影響區，盡管魏氏組織屬于硬而脆的不良組織[6]，但是本次斷裂件的魏氏組織出現在緊靠熔合線的熱影響區，裂紋出現在焊縫區，并沒有在該區域出現裂紋和斷裂。因為本次鋼管外壁存在類似噴涂物的附著層，可見粗大的魏氏組織不是本次斷裂事故的主要原因。

從宏觀形貌分析，省煤器吊掛管鋼管外壁可見明顯附著層。由外壁附著層能譜結果分析可知，外壁附著層中的碳、氧元素含量高，根據電廠反饋情況，確定鋼管外壁附著層應為防磨噴涂材料，這是鍋爐生產廠家為了保護受熱面，減緩煙氣沖刷導致的鋼管壁厚減薄，而采取的一項技術措施[7]。受熱面管焊接安裝時，若坡口附近的高碳防磨噴涂材料未打磨干凈，在焊接時會熔融進入焊縫金屬內部，改變焊縫的化學成分，直接導致熔融金屬含碳量升高。當碳含量較高時，熔融的焊縫金屬在冷卻結晶過程中，擴散能力較差的S、P 等雜質元素會在晶界偏聚并與金屬形成低熔點的相或共晶體，焊縫區金相組織和焊縫區裂紋內碳、硫含量的能譜測試結果也表明了這一點。焊縫凝固后期，在冷卻收縮引起的拉應力作用下，這種遠比晶粒脆弱的液態薄膜承受不了拉伸應力，在晶界處分離形成細微的結晶裂紋，這一點可由金相組織分析中裂紋均沿晶界分布來驗證。省煤器吊掛管在工作過程中既要承擔省煤器、過熱器及集管的全部重量，又要承受鍋爐給水的壓力[8]。在省煤器吊掛管承受的合力作用下，已經存在于焊縫中的結晶裂紋就會沿著裂紋尖端擴展變長變寬變深，直至穿透壁厚，造成泄漏。

3 結論及改進措施

3.1 結論

本次1#鍋爐省煤器吊掛管焊縫開裂泄漏的主要原因為鋼管外壁高碳防磨噴涂材料未打磨干凈，在焊接時熔融進入焊縫金屬內部，導致熔融金屬含碳量異常增高，S、P 元素在晶界偏聚，與金屬形成低熔點共晶體并呈液膜狀態散布在晶粒表面。在凝固冷卻收縮引起的拉應力作用下形成細微結晶裂紋。微裂紋在內部高壓介質膨脹應力等作用下不斷擴展，穿透壁厚導致最終泄漏。

3.2 改進措施

（1）應現場重點排查同類型受熱面管焊縫，必要時進行無損檢測，發現裂紋及時進行消缺處理。

（2）焊接前應將坡口附近管子外壁的防磨噴涂層材料徹底打磨干凈，防止同類開裂泄漏失效再次發生。