圖 1 開裂水冷壁管的宏觀形貌
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鍋爐的安全及穩定運行是保障電力供給的關鍵因素[1]。鍋爐問題造成的事故發生率占整個火電機組事故發生率的40%以上[2],其中,由鍋爐中水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤器管等失效造成的突發事故占鍋爐事故的70%以上[3],水冷壁管泄漏是造成電廠鍋爐泄漏的原因之一[4]。因此,研究鍋爐水冷壁管開裂原因具有重要的指導意義。
馬曉藝等[5]采用一系列理化檢驗方法對某火電廠鍋爐水冷壁管爆管原因進行分析,發現水冷壁管向火側內壁的嚴重氧化和高溫氫腐蝕導致其爆管。劉帥等[6]模擬了水冷壁管的焊接過程,獲得了焊接殘余應力分布場,研究了強制對口產生的裝配應力對水冷壁管焊接接頭應力場的影響,發現熱疲勞是導致環向裂紋擴展的關鍵因素。高超等[7]采用一系列理化檢驗方法對核電廠高壓加熱器系統疏水器在服役過程中發生局部減薄的原因進行了分析,并對疏水器流道的流態進行了模擬計算,發現高流速介質的沖刷減薄及流體加速腐蝕減薄是造成疏水器減薄穿孔的直接原因。曹慧泉等[8]采用一系列理化檢驗方法對某鍋爐旋風分離器水冷壁過熱管發生多起開裂事故的原因進行分析,發現過熱管長期處于450 ℃以上的高溫狀態,珠光體球化明顯,顯微組織的劣化導致過熱管的強度和硬度下降,被氧化腐蝕減薄的過熱管在蒸汽壓力的作用下脹粗變形,最終導致過熱管開裂。
某電廠檢查發現爐本體6樓至7樓之間有異常聲音,后經現場確認水冷壁管發生泄漏現象。鍋爐標高39 m折焰角處,從鍋爐A側往B側數第18,19根,折焰角下方約2 m處水冷壁管開裂。水冷壁管材料為210C鋼,尺寸為63.5 mm×8 mm（外徑×壁厚）。筆者采用一系列理化檢驗方法對該電廠鍋爐水冷壁管接頭開裂的原因進行分析,以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
開裂水冷壁管的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：第18,19根水冷壁管之間有鱗片焊接相連,表面存在一定程度的氧化現象,開裂位置為管道向火面,鰭片及其兩側管外表面有明顯沖蝕痕跡,鰭片及其焊縫上分布有數條長短不一的縱向和橫向溝槽；A區可見3處密集孔洞,孔洞四周分布有放射性溝槽,且孔洞周圍管壁仍保留一定的厚度；B區有3處較分散孔洞,孔洞周圍管壁明顯減薄變形。根據孔洞分布情況及管壁狀態可以推斷,B區孔洞為A區破口后管壁外表面經高壓水柱沖蝕減薄所致。管壁除沖蝕區域之外厚度較均勻,未見明顯蠕脹變形或減薄缺陷。
對A區內表面進行宏觀觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：A區內表面可見3處密集孔洞,孔洞分布于水冷壁管對接環焊縫一側熔合線附近,內表面氧化較均勻,未見明顯局部腐蝕痕跡,無異常減薄。
圖 2 A區內表面宏觀形貌
1.2 化學成分分析
依據ASME SA-210 Specification for Seamless Medium-Carbon Steel Boiler and Superheater Tubes,利用手持式合金成分分析儀對開裂水冷壁管試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：開裂水冷壁管試樣的化學成分基本符合ASME SA-210的要求。
Table 1. 開裂水冷壁管試樣的化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數 | |
|---|---|---|
| Mn | Fe | |
| 實測值 | 0.62 | 99.3 |
| 標準值 | 0.29~1.06 | 余量 |
1.3 金相檢驗
在A區孔洞附近垂直于壁厚方向截取試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,試樣的拋光態微觀形貌如圖3所示,可見裂紋走勢較直且無分叉,裂紋起始端位于管壁內表面,裂紋幾乎貫穿截面厚度。A區孔洞附近的顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可知：裂紋起始端兩側組織差異明顯,裂紋位于焊縫與母材的熔合線部位,裂紋開口較寬,中間有氧化物填充；裂紋末端粗大,中間有氧化物,裂紋左側為水冷壁管母材,組織為鐵素體+珠光體,裂紋右側為焊縫,組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體,呈枝晶狀分布。
圖 3 A區孔洞附近的拋光態微觀形貌
圖 4 A區孔洞附近的顯微組織形貌
在水冷壁管遠離焊縫處母材上取樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：試樣的組織為鐵素體+珠光體,未見明顯老化現象。
圖 5 遠離焊縫處母材顯微組織形貌
1.4 硬度測試
在水冷壁管開裂處橫截面上取樣,對試樣進行顯微維氏硬度測試,結果如表2所示。根據ASME SA-210的要求,母材硬度為143~179 HB,根據GB/T 33362—2016 《金屬材料 硬度值的換算》,將維氏硬度換算成布氏硬度,可知試樣的硬度滿足標準要求,且焊縫及熱影響區硬度高于母材。
Table 2. 水冷壁管橫截面的顯微維氏硬度測試結果
| 測試位置 | 實測值1 | 實測值2 | 實測值3 | 實測值4 | 實測值5 | 平均值 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 母材 | 154 | 158 | 154 | 157 | 156 | 156 |
| 熱影響區 | 165 | 156 | 162 | 162 | 166 | 162 |
| 焊縫 | 211 | 196 | 206 | 194 | 194 | 200 |
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知：開裂水冷壁管母材的化學成分、顯微組織及硬度均滿足標準要求,因此可以排除長時和短時超溫導致管子開裂的可能。水冷壁管A區孔洞密集且帶有較深溝槽,B區孔洞分散且出現在管壁最薄處,可推斷A區孔洞先出現,B區孔洞為管壁受沖蝕減薄所致。管壁未見明顯蠕脹變形或減薄缺陷,故排除長時和短時過熱導致管子開裂的可能。水冷壁管內表面氧化較均勻,未見明顯局部腐蝕痕跡,故排除內壁酸堿腐蝕導致管子開裂的可能。A區裂紋分布于水冷壁管對接環焊縫一側熔合線附近,說明焊接使管子發生早期開裂現象。
A區孔洞附近裂紋起始于水冷壁管內表面焊縫與母材的熔合線部位,該處為焊縫的薄弱環節,組織中晶粒較粗,導致材料的脆性變大,在焊接引起的殘余應力、焊接缺陷,焊接結構造成應力集中等因素的影響下,水冷壁管發生開裂現象。
3. 結論與建議
水冷壁管開裂的主要原因為：水冷壁管對接環焊縫產生了殘余應力,材料中存在焊接缺陷,在高溫高壓環境下,缺陷逐漸擴展為孔洞,并對其他管壁造成沖蝕破壞,最終導致水冷壁管開裂。
建議改善焊接的相關工藝,避免結構約束產生異常殘余應力。焊接完成后盡可能去除焊縫余高,避免焊縫區域產生應力集中。進行焊后熱處理,松弛焊接殘余應力,細化組織晶粒,防止產生延遲裂紋,注意預熱和加熱的速率,避免產生再熱裂紋。定期檢查水冷壁管,以便及時發現和解決潛在問題。
文章來源——材料與測試網
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