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.西安高新區城市管理和綜合執法局 西安 710075）

近年來，電站鍋爐受熱面管泄漏引起的機組“非停”的現象頻發，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]、安裝質量不合格[2]、管子磨損[3]和腐蝕、機組常態化調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、尾部雙煙道結構、前后墻對沖燃燒的燃煤本生直流鍋爐，包墻過熱器設計壓力為31.3 MPa，設計溫度為480 ℃。鍋爐在運行期間，發現A側包墻出口集箱從爐前向爐后數第1根進口管發生泄漏，泄漏部位的包墻過熱器管樣材質為15CrMoG，規格為φ38.1×6.5 mm。3號鍋爐自投產至本次包墻過熱器管發生泄漏，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側鰭片附近，A側鰭片位于爐外，包墻過熱器鰭片分布見圖1（c），A側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，經滲透檢測，發現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，兩側斷口形貌見圖1（b），斷口兩側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側（編號為3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）截取金相環樣，取樣位置見圖1（a），經砂紙粗、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壁形貌進行觀察分析，依據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）、傾向性球化、輕度球化、中度球化、完全球化。金相分析結果見表1和圖2～圖5，結果表明：

表1 金相分析結果

圖2 1號試樣各部位顯微組織及內壁形貌

圖3 2號試樣各部位顯微組織及內壁形貌

圖4 3號試樣顯微組織及內壁形貌

圖5 4號試樣向火面和背火面顯微組織及內壁形貌

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生，并向管子母材擴展直至發生泄漏。

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，結果見表2。結果表明：管樣的材質與設計相符，不存在錯用材料問題。

表2 管樣能譜成分分析結果質量分數，%

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，裂紋由外壁向內壁擴展。

圖6 裂紋打開后斷口宏觀形貌（上為外壁，下為內壁）

1.4 硬度試驗

依據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。試驗結果見表3。結果表明：

表3 硬度試驗結果

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，可以判斷開裂區域材質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。結果綜述如下：

1）打磨掉鰭片角焊縫，經滲透檢測，發現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生，并向管子母材擴展直至發生泄漏。

3）管樣的材質與設計相符，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側鰭片焊縫附近發生開裂，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、負荷變化等原因導致管子母材發生疲勞開裂，直至泄漏。

3 結論及建議

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，發現缺陷及時處理；在鍋爐啟停、調峰運行期間，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；嚴格執行焊接工藝文件，做好焊后熱處理。