锅炉水冷壁管开裂原因分析

邵志强

（山西漳电蒲洲热电有限公司，山西 运城 044500）

0 引言

山西漳电蒲洲热电有限公司3 号锅炉是哈尔滨锅炉厂有限责任公司自主开发设计、制造的具有自主知识产权的超临界350 MW 锅炉。锅炉为HG-1205/25.4-YM1 型、单炉膛、一次再热、平衡通风、运转层以上露天布置、运转层以下紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π 型锅炉，2016 年3 月发现3 号锅炉水冷壁管发生开裂泄漏，泄漏位置为右墙螺旋水冷壁炉前数第46 根进水冷壁中间集箱前弯管处。此处水冷壁管为现场焊接安装[1]，水冷壁管规格为d38 mm×6.5 mm，材质为15CrMo。为了查明3 号炉水冷壁开裂的原因，对3 号炉水冷壁管进行失效分析。

1 试验结果及分析

1.1 宏观形貌观察

试验管样为泄漏管样，其宏观形貌见图1~图2。管样未见明显机械损伤、腐蚀等异常情况；在弯管处有一个非常明显的环向裂纹，由内弧面沿两侧向外弧面扩展，长度约占整个周长的4/5。管样内、外弧均可见明显的火焰切割痕迹。

图1 泄漏管样宏观形貌图

图2 弯管部位裂纹形貌图

1.2 几何尺寸测量

对试验管样取5 个截面测量管样的外径及壁厚，测量位置见图3，测量结果见表1。由测量结果可知：管样外径及壁厚值正常；管段内外弧方向的外径无法测量，由截面3、4 外径及壁厚值可推断弯管部位的椭圆度正常。

图3 测量位置示意图

表1 管样几何尺寸测量结果

1.3 金相分析[2]

对水冷壁管样取样进行金相分析，共取3 个纵向金相试样和1 个横向试样，取样说明见表2。金相样经过粗磨、细磨、抛光、腐蚀后，再在OLYMPUS GX71 金相显微镜下进行微观形貌观察。

表2 金相试样取样位置

金相分析结果表明以下几点。

a） 内弧侧裂纹断口处由于火焰切割损伤外壁，断口处壁厚约剩余3.5 mm，火焰切割造成的热影响区约占剩余壁厚的一半，断口母材组织为铁素体+珠光体，晶粒度7 级，未见球化；内壁约0.18 mm 范围内脱碳明显；断口断面不平。

b） 母材上裂纹断口的断面不平整，断口附近有二次裂纹，穿晶扩展；断口处及附近组织均为铁素体+珠光体+贝氏体，晶粒度7 级。

c） 裂纹尖端位置内壁及壁厚中部存在明显裂纹，主裂纹附近存在微裂纹，裂纹穿晶扩展；断口处及附近组织均为铁素体+珠光体+贝氏体，晶粒度7 级。

d） 母材组织为铁素体+珠光体+贝氏体，晶粒度7 级，焊缝处组织正常。

1.4 硬度试验

在管样的金相样上进行小负荷维氏硬度试验，试验载荷1 kg，加载时间15 s，试验结果见表3。对管样直段取环样进行布氏硬度试验，试验载荷30 kg，试验结果见表4。由硬度试验结果可知：第一，管样母材硬度值略高于DL/T 438—2009 标准对15CrMo 的要求值。第二，焊接热影响区及焊缝硬度值正常。第三，弯管段硬度值明显高于直段，且硬度值远高于标准要求。

表3 金相样维氏硬度试验结果

表4 环样维氏硬度试验结果

1.5 拉伸性能试验

从管样直段上取样进行室温拉伸试验，试验机为MTS880 电液伺服试验机，试验结果见表5。由试验结果可知，管样的规定塑性延伸强度、抗拉强度满足GB/T 5310—2017 标准对15CrMo 钢管的技术要求，断后延伸率低于标准要求。由于管样为内螺纹管，故规定塑性延伸强度及断后延伸率仅供参考。

表5 拉伸试验结果

1.6 冲击性能试验

在JBC-300 型冲击试验机上对取自管样直段的纵向冲击试样进行室温冲击试验，结果见表6。由试验结果可知：管样室温下的冲击吸收能量满足标准GB/T 5310—2017 对15CrMo 钢管的要求。

表6 管样的冲击试验结果

1.7 断口分析

将管样环向裂纹打开后对断口进行宏观观察，根据断口表面扩展痕迹判断源区位于内弧侧外壁与鳍片焊接处，但此处由于火焰切割已被破坏。断口表面较干净，不平整，呈颗粒状。断口宏观形貌见图4。

用Fei Quanta 400HV 型扫描电子显微镜对断面进行观察分析，断口靠源区、断口外壁、断口内壁均为解理形貌，呈现明显脆断特征。

图4 断口宏观形貌图

1.8 化学成分分析

对泄漏管样取样进行化学成分分析，分析结果如表7 所示。由分析结果可知：泄漏管样的化学成分符合GB/T 5310—2017 标准对15CrMo 钢管的要求。

表7 管子化学成分分析结果

2 综合分析

3 号炉水冷壁泄漏管样几何尺寸正常，化学成分、冲击性能、拉伸性能满足标准要求。3 号炉水冷壁泄漏管样组织为铁素体+珠光体+贝氏体，直管硬度略超标准对新钢管的要求，弯管段裂纹附近母材硬度远超标准要求。断口分析表明，3号炉水冷壁泄漏管样断口为解理特征，为典型的脆性断裂。水冷壁与鳍片焊接组织及硬度值正常。

3 号炉水冷壁管裂纹断面较干净，未见明显氧化产物，说明裂纹的产生应在钢管最终热处理之后；水冷壁管的开裂泄漏是在打水压过程中发现的，但打水压所造成的弯管处内应力不会使管子环向开裂，因此可判断水冷壁管环向裂纹产生的时间点应在制造之后打水压之前。综合以上两点考虑，开裂最大可能是在安装过程中产生的。由断口分析可以看到断口源区位于管样内弧侧外壁与鳍片焊接处，即管段开裂应与焊接有关。管段开裂的应力来源应为安装过程中水冷壁管与鳍片焊接产生的较大拘束应力，拘束应力的大小与管样焊接工艺、鳍片焊接顺序选择有关。由于焊接顺序的选择存在较大偶然性，所以水冷壁弯管裂纹的产生有一定偶然性。

断口源区位于管样内弧侧靠外壁与鳍片焊接处，但此处由于火焰切割已被破坏，无法确认管样是否存在母材原始缺陷或者焊接缺陷。若存在缺陷，则更易萌生裂纹。

综上所述，3 号炉水冷管失效型式是大应力作用下的脆性开裂，开裂应在安装过程中产生，存在一定偶然性。弯管部位硬度高、脆性大对开裂有促进作用[3]。

3 结论

a） 水冷壁开裂管样几何尺寸正常；化学成分、母材组织、拉伸性能、冲击吸收能量均符合GB 5310—2017 标准要求；管样硬度超出DL/T 438—2009 标准要求的上限。

b） 3 号炉水冷壁管弯管开裂应为安装过程中产生的，为大应力作用下的脆性开裂，应力来源为安装过程中水冷壁管与鳍片焊接产生的较大拘束应力；弯管部位硬度高、脆性大对开裂有促进作用。