1 036 MW超超臨界鍋爐包墻過熱器泄漏原因分析

劉佳偉 劉 森 張維星

（1.陜西弘順電力科技有限公司 西安 710054）

（2.西安高新區(qū)城市管理和綜合執(zhí)法局 西安 710075）

近年來，電站鍋爐受熱面管泄漏引起的機組“非停”的現(xiàn)象頻發(fā)，鍋爐受熱面管的泄漏原因有很多，其中包括管材使用不當[1]、安裝質(zhì)量不合格[2]、管子磨損[3]和腐蝕、機組常態(tài)化調(diào)峰運行導致管子存在交變應力[4]等。

某電廠3號鍋爐為某有限公司制造的超超臨界、一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)、前后墻對沖燃燒的燃煤本生直流鍋爐，包墻過熱器設(shè)計壓力為31.3 MPa，設(shè)計溫度為480 ℃。鍋爐在運行期間，發(fā)現(xiàn)A側(cè)包墻出口集箱從爐前向爐后數(shù)第1根進口管發(fā)生泄漏，泄漏部位的包墻過熱器管樣材質(zhì)為15CrMoG，規(guī)格為φ38.1×6.5 mm。3號鍋爐自投產(chǎn)至本次包墻過熱器管發(fā)生泄漏，已累計運行約8.5萬h。鍋爐受熱面管在運行過程中失效時，應查明失效原因，提出應對措施[5]，為查找包墻過熱器管泄漏的原因，本文對泄漏管樣進行了取樣試驗與分析。

1 試驗方法

1.1 宏觀形貌檢查

包墻過熱器管泄漏位置為管子的A側(cè)鰭片附近，A側(cè)鰭片位于爐外，包墻過熱器鰭片分布見圖1（c），A側(cè)鰭片的主要用途是在鰭片上打鉚釘，從而懸掛保溫棉。打磨掉鰭片，經(jīng)滲透檢測，發(fā)現(xiàn)在鰭片焊縫下存在橫向的形狀為“W”型的裂紋，見圖1（a）。沿裂紋將其打開，兩側(cè)斷口形貌見圖1（b），斷口兩側(cè)未見明顯的塑性變形。

圖1 管樣裂紋形貌及取樣位置示意圖

1.2 金相分析

在管樣橫向裂紋開口最大處（編號為1號）、裂紋尖端處（編號為2號）和裂紋開口最大處的背面?zhèn)龋ň幪枮?號）分別截取縱向金相塊，在距離泄漏位置40 mm處（編號為4號）截取金相環(huán)樣，取樣位置見圖1（a），經(jīng)砂紙粗、細磨和拋光后，用4%硝酸酒精溶液對各試樣進行擦拭，在ZEISS LSM 700型激光共聚焦掃描顯微鏡下對各試樣的顯微組織和內(nèi)壁形貌進行觀察分析，依據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》對15CrMoG鋼進行晶粒度評級。GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG的晶粒度要求為4～10級。依據(jù)DL/T 787—2001《火電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標準》對15CrMoG進行球化評級，該標準對珠光體球化等級分為1～5級，依次為未球化（原始態(tài)）、傾向性球化、輕度球化、中度球化、完全球化。金相分析結(jié)果見表1和圖2～圖5，結(jié)果表明：

表1 金相分析結(jié)果

圖2 1號試樣各部位顯微組織及內(nèi)壁形貌

圖3 2號試樣各部位顯微組織及內(nèi)壁形貌

圖4 3號試樣顯微組織及內(nèi)壁形貌

圖5 4號試樣向火面和背火面顯微組織及內(nèi)壁形貌

1）管樣各部位母材的顯微組織為鐵素體+貝氏體，晶粒度為8～9級，球化1～2級，即未球化～傾向性球化；

2）由1號、2號試樣近外壁斷面氧化皮厚度可以判斷，裂紋由鰭片焊縫附近產(chǎn)生，并向管子母材擴展直至發(fā)生泄漏。

1.3 掃描電鏡能譜成分分析

在FEI Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對泄漏管樣進行能譜成分分析，結(jié)果見表2。結(jié)果表明：管樣的材質(zhì)與設(shè)計相符，不存在錯用材料問題。

表2 管樣能譜成分分析結(jié)果質(zhì)量分數(shù)，%

將管樣橫向裂紋沿裂紋打開后在弱酸下進行清洗，在FEI Quanta 400型掃描電鏡下對裂紋斷面進行觀察。由圖6可以看出，斷面上有相互平行的清晰的疲勞條紋，這些條紋呈圓弧形，有規(guī)則的間距，并垂直于裂紋的擴展方向，為典型的疲勞特征，裂紋由外壁向內(nèi)壁擴展。

圖6 裂紋打開后斷口宏觀形貌（上為外壁，下為內(nèi)壁）

1.4 硬度試驗

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》在ⅤILSON ⅤH1150型維氏硬度試驗機上對各金相試樣進行維氏硬度試驗，載荷為10 kgf（約98 N），保荷10 s。試驗結(jié)果見表3。結(jié)果表明：

表3 硬度試驗結(jié)果

1）1號、2號及3號試樣母材的硬度平均值分別較標準要求的上限值高19 HB、31 HB、4 HB；

2）4號試樣各部位的硬度值均符合標準要求。

1號、2號試樣的硬度值大幅超出標準要求的上限值，可以判斷開裂區(qū)域材質(zhì)的力學性能存在明顯異常；鍋爐運行期間的溫度不足以造成管子局部力學性能的變化，所以可以推斷造成硬度異常的原因為鰭片焊接工藝控制不當。

2 試驗結(jié)果

對泄漏管樣進行了宏觀形貌檢查、金相分析、掃描電鏡分析和硬度試驗。結(jié)果綜述如下：

1）打磨掉鰭片角焊縫，經(jīng)滲透檢測，發(fā)現(xiàn)泄漏管樣在鰭片角焊縫附近存在橫向的形狀為“W”型的裂紋，沿裂紋將其打開，斷口兩側(cè)未見明顯的塑性變形。

2）管樣各部位母材的顯微組織為鐵素體+貝氏體，晶粒度為8～9級，球化1～2級，即未球化～傾向性球化；由1號、2號試樣近外壁斷面氧化皮厚度可以判斷，裂紋由鰭片角焊縫附近產(chǎn)生，并向管子母材擴展直至發(fā)生泄漏。

3）管樣的材質(zhì)與設(shè)計相符，不存在錯用材料問題；裂紋打開后斷口形貌為典型的疲勞特征。

4）1號、2號及3號試樣母材的硬度平均值分別較標準要求的上限值高19HB、31HB、4HB；4號試樣各部位的硬度值均符合標準要求；由局部硬度大幅超標推斷出鰭片焊接工藝控制不當。

包墻過熱器管在A側(cè)鰭片焊縫附近發(fā)生開裂，由于鰭片焊縫已被打磨掉，無法判斷其開裂原因，管樣在鰭片角焊縫附近開裂后向管子母材處擴展，由于管子震動、鍋爐啟停、負荷變化等原因?qū)е鹿茏幽覆陌l(fā)生疲勞開裂，直至泄漏。

3 結(jié)論及建議

管樣在鰭片焊縫開裂后向管子母材處擴展，在管子震動、鍋爐啟停、負荷變化等因素的長期作用下，導致管子母材發(fā)生疲勞開裂，直至泄漏。建議在以后檢修期間，加強對受熱面管鰭片焊縫部位的檢驗，發(fā)現(xiàn)缺陷及時處理；在鍋爐啟停、調(diào)峰運行期間，嚴格控制鍋爐升溫、降溫速率，避免受熱面管受到較大熱應力；嚴格執(zhí)行焊接工藝文件，做好焊后熱處理。