某发电公司锅炉水冷壁管泄漏原因分析

2012-08-18刘景春张艳红

东北电力技术 2012年12期

刘景春，张艳红

(1.神华国华绥中发电有限责任公司，辽宁葫芦岛 125222;2.辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳 110006)

1 锅炉概况

某发电公司锅炉为 HG－1793/26.15－YM1型。炉膛采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁，水冷壁管共1 584根，前后墙各396根，两侧墙各396根。在上下炉膛之间装设一圈中间混合集箱以消除下炉膛工质吸热与温度偏差。水冷壁管材质为15CrMoG，规格为Φ28 mm×6.4 mm，水冷壁设计压力为32.2 MPa，工作压力为30.0 MPa，锅炉给水温度为291℃。

2012年7月B侧前数第B216、B127号管在标高约45 m处泄漏，B125、B128号管表面有裂纹，但未裂透。至泄漏之日水冷壁管累计运行约10 000 h。

2 试验分析

2.1 爆口宏观特征检验

4根管主裂纹处沿长度方向向内明显弯曲变形(见图1)。4根管在漏点附近向火侧表面均存在横向裂纹，B侧前数第B126、B127号管主裂纹已穿透壁厚 (见图2)，B侧前数第B125、B128号管主裂纹尚未穿透壁厚 (见图3)。将B127号管在向火侧沿轴向 (垂直表面裂纹方向)剖开，可见裂纹均在外壁上，并由外壁向内壁扩展 (见图4)。

爆口附近及爆口下方约300 mm处管径胀粗率测试结果如表1所示，裂纹附近管径胀粗率为4.6%～5.7%，爆口下方约300 mm处管径胀粗率为2.5%～3.6%。

4根水冷壁管裂纹宏观形貌特征均属于热疲劳开裂［1］，同时伴有明显的管径胀粗及过热特征。

表1 管径胀粗率测试结果

2.2 化学成分分析

对B125号水冷壁管背火侧进行化学成分分析，试验执行标准为GB/T4336—2002，仪器型号为DV－6。其化学元素含量符合GB5310—2008 15CrMoG钢标准要求，试验结果如表2所示。

表2 水冷壁管元素含量 %

2.3 金相检验

在B127号管主裂纹处垂直于表面裂纹方向取样进行金相检验，向火侧裂纹起源于外表面 (见图5)，属于热疲劳裂纹。向火侧基体组织及背火侧金相组织均为块状铁素体加珠光体，球化不明显(见图6、图7)。

在B127号管爆口下方约300 mm处 (外表面无裂纹)取样进行金相检验，向火侧近外壁及中部金相组织为铁素体、贝氏体加相变珠光体 (见图8、图9)，向火侧近内壁金相组织为铁素体加贝氏体 (见图10)，背火侧金相组织为铁素体加贝氏体 (见图11)。向火侧近外壁金相组织属于不完全相变组织，表明该处向火侧管壁温度曾超过720℃(15CrMoG钢相变开始温度)。

主裂纹处金相组织为块状铁素体加珠光体，球化不明显，为15CrMoG钢的正火组织状态。而距主裂纹约300 mm处向火侧近外壁 (外表面无裂纹)已经发生相变，表明该处壁温超过720℃，主裂纹处壁温应该更高，主裂纹处的正火组织形态应视为完全正火相变组织，主裂纹处管壁温度高达900℃ (15CrMoG钢正火温度)。金相检验结果表明，该水冷壁管壁温曾高达720～900℃，有短时过热特征［2］。

3 爆管原因分析

水冷壁管的材质15CrMoG钢是世界各国广泛采用的低合金铬钼钢，该钢具有良好的工艺性能、焊接性能及较高的热强性能。在500～550℃工作温度下长期运行时会产生珠光体球化、合金元素从铁素体向碳化物中转移并发生碳化物类型转变的现象，从而导致钢的强度和热强性能降低。当工作温度超过550℃时，抗氧化性能变差，热强性能显著下降。该钢广泛应用于制造蒸汽参数为510℃的高、中压锅炉蒸汽管道、集箱及壁温为540℃以下的过热器管及水冷壁管。

按照GB5310要求，15CrMoG成品钢管的供货状态应为正火加回火。正火温度为930～960℃，回火温度为680～720℃。其正常的组织状态为块状铁素体加珠光体或块状铁素体加贝氏体。

化学成分分析结果表明，水冷壁管各元素含量均符合15CrMoG标准要求。4根水冷壁管失效机理均属于热疲劳开裂，同时伴有短时过热特征，爆口附近向火侧壁温曾高达720～900℃。

在正常工况下水冷壁管的工作环境为管内介质温度290～500℃，压力30.0 MPa，管子外壁 (向火侧)炉膛烟温高于1 000℃，水冷壁管向火侧壁温通常高于管内介质温度的30～50℃，即水冷壁管壁温应≤540℃。15CrMoG钢在540℃以下可以长期运行。

在异常工况下，如某个水冷壁管有异物堵塞导致介质流速缓慢，管壁温度不能被介质及时冷却，壁温将不断升高(超过550℃)，从而引发过热爆管，过热爆管特征为管径胀粗明显，沿管子纵向有爆口。

本次失效的4根水冷壁管虽都有短时过热特征，但主裂纹是横向裂纹，开裂机理属于热疲劳，引发热疲劳开裂是由于水冷壁管温度忽高忽低、频繁变化所致。导致水冷壁管温度不稳定的主要因素是管内介质流速不稳定，在某一时期(某一低负荷阶段)介质流速较低，管壁超温，可高达700～900℃，而在另一时期(正常负荷阶段)介质流速正常，管壁温度迅速恢复正常(约530℃)。管壁温度由700～900℃迅速降至530℃，该温差产生较高的热应力，当热应力超过水冷壁管材在高温下的抗拉强度时，在外表面(由于外壁温度最高，其抗拉强度最低)形成横向裂纹，此过程不断循环重复，裂纹不断扩展，最终引发热疲劳开裂。

本次失效的4根水冷壁管 (B125～B128)来自于同一根节流孔管 (一分二，二分四)。该节流孔管所处的位置及其结构是导致上述4根水冷壁管介质流速不稳定的主要原因。