某电厂省煤器管失效机理分析

胡 鑫，俞 旷

（华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030）

0 引言

某电厂#2锅炉上级省煤器三个月内频繁发生爆管泄漏，炉管为 20G材质错列布置的螺旋鳍片管。该电厂#2机组于2007年5月投产，锅炉为DG-480/13.7-Ⅱ10型，超高压自然循环汽包炉。

为分析爆管原因，现对爆管样品进行金相组织、力学性能、断口形貌及化学成份检测。

1 试验方法与结果

1.1 宏观检查

图1为上级省煤器管泄漏后，泄漏位置的宏观照片。由图1(a)～(b)可以看出泄漏点两侧的螺旋鳍片高度发生了变化，由外向内高度依次降低，而接近泄漏点附近的鳍片上半部分完全消失，同时由图1(c)可以发现泄漏位置一侧（迎风侧）的省煤器管壁由于磨损而明显减薄，省煤器的磨损是导致省煤器泄漏的重要原因[1]。

图1 泄漏省煤器管宏观形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the leaky economizer tube

1.2 金相检查

图2(a)～图2(c)为发生泄漏的省煤器管上的3个不同位置的金相组织照片，通过对比可以看出，泄漏位置、远离泄漏位置以及两者中间位置的金相组织均为铁素体加珠光体组织[2]，且晶粒大小分布形态基本一致，并与20G钢管的一般供货态金相组织一致，晶粒大小也在正常范围，并未发生明显组织变化，这说明省煤器管未发生超温现象。

图2泄漏省煤器管微观形貌Fig.2 Micromorphology of the leaky economizer tube

1.3 抗拉强度检测

表1为抗拉强度的试验结果，结果显示该省煤器管抗拉强度在445～470MPa，符合标准GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》20G的技术要求。

表1 抗拉强度检测结果Tab.1 Results of tensile strength test

1.4 硬度检测

表2为硬度测试结果，结果显示该省煤器管硬度值在147～155HB，符合标准DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》20G的技术要求。

表2 硬度测试结果Tab.2 Results of hardness test

1.5 扫描电镜断口分析

1.5.1 泄漏区域表面的断口形貌及成分测试

为查明泄漏原因，对泄漏部位进行了进一步的测试分析。

图3为漏点附近区域的扫描电镜照片，由图3a可以清晰的观察到经过冲刷后留下的冲刷线（图中箭头标注的位置）。图3(b)为对图3(a)中1号箭头指示区域进一步放大的微观形貌照片，可以明显地观察到图中箭头所指区域发生了典型的三角分叉的裂纹及研磨过的痕迹。图3(c)为进一步放大后的微观形貌，可以看到图中箭头所指的氧化腐蚀层位置发生了明显的剥落痕迹[3]。裂纹的出现可能是由于冲蚀磨损导致的基体疲劳裂纹扩展而发生的，而基体剥落是这一行为发展到一定程度导致的，这说明煤灰的高速冲刷可能是导致该区域泄漏，从而引起锅炉管道失效的重要原因之一[4]。

图3 泄露区域表面断口形貌Fig.3 Surface fracture surface morphology of leaked area

图4(a)、图4(b)为对泄漏区域附近位置进行的EDS分析，可以看出在泄漏区域附近位置只存在少量的S元素甚至不存在S元素，这说明该区域未发生硫腐蚀或者发生了硫腐蚀但腐蚀产物被高速的粉尘气流冲刷带走，与此同时发现在该区域表面存在Ca、Al、Si、Na、K等元素，这进一步说明煤灰的冲刷对该区域造成了巨大影响，很可能是造成该区域泄漏的重要原因。

图4 泄露区域附近表面形貌及能谱分析Fig.4 Surface morphology and energy dispersion spectrum analysis near the leaked region

1.5.2 完好区域表面及表面附着物成分测试

为了进一步分析泄漏原因，对泄漏省煤器管的完好部位的表面以及附着物进行了成分EDS分析，其中图5(a)、图5(b)为表面的EDS分析结果，结果显示该区域表面含有S元素且含量与泄漏区域S含量接近。

表3 泄漏区域表面成分EDS分析结果Tab.3 Analysis results of surface composition EDS in leakage region

图5 完好区域表面断口形貌及能谱分析Fig.5 The surface fracture morphology and energy spectrum analysis of the perfect region

表4 完好区域表面成分EDS分析结果Tab.4 EDS analysis results of surface composition in perfect region

图6(a)、图6(b)为附着物成分的EDS分析，可以看出附着物中的S元素含量远远高于泄漏及完好区域的S元素含量，结合图5(a)、图5(b)的结果，说明省煤器管可能发生了轻微的S腐蚀，但是S腐蚀的程度是微乎其微的，泄漏位置之所以发生泄漏，结合前面的测试结果，可以认为其主要原因是由于粉煤灰快速冲蚀导致的，这也解释了图1中省煤器管鳍片形状变化以及迎风面薄壁的成因，这是由于煤灰经过中隔墙烟气阻流板变向后，以一定的角度冲向省煤器管，从而造成了鳍片形状有规则的分布，同时导致了各省煤器管迎风面管壁的严重减薄，产生冲刷腐蚀现象[5]。当省煤器管壁减薄腐蚀到一定程度，管子就会产生泄露失效。

表5 附着物表面成分EDS分析结果Tab.5 EDS analysis results on surface composition of attachments

2 结论及建议

综合上述试验测试及分析结果，可以得出导致该锅炉上级省煤器管频繁泄漏的主要原因是高速粉煤灰气流冲刷省煤器管而产生的冲蚀磨损，建议对实际燃煤煤质进行校验，或对该区域省煤器增加防磨盖板或进行结构优化改造来降低该区域省煤器管的磨损泄漏，提高机组安全运行能力。

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