火电锅炉水冷壁管开裂原因分析

2020-08-26刘献良赖云亭赵朋飞

机电工程技术 2020年7期

杜峰，刘献良，赖云亭，赵朋飞

（1.华电邹县发电有限公司，山东济宁 273522；2.苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

0 引言

某厂3号锅炉是哈尔滨锅炉厂根据美国ABB-CE燃烧工程公司技术设计制造的，配350 MW 汽轮发电机组的亚临界压力带一次中间再热，固态排查，控制循环汽包锅炉，燃料为烟煤。过热器、再热器蒸汽出口温度均为541 ℃，给水温度281 ℃；锅炉呈“Π”型布置，设计有固定的膨胀中心；受热面采用全悬吊结构。水冷壁采用外径为φ 44.5 mm 的光管和内螺纹管，节距为57.15 mm，管间的间隙为金属熔烧焊（或用扁钢焊接）形成完全气密封炉膛。水冷壁全部管子材料为碳钢。2018年12月，该厂3号锅炉水冷壁管出现一处开裂泄漏。泄漏时，该锅炉运行时间约8.5 万h。泄漏管段宏观照片如图1所示。

图1 开裂管段照片

1 理化检验及结果

1.1 宏观检验

开裂的水冷壁管表面宏观形貌如图2 所示。管段宏观上无明显胀粗，外壁表面可见一条狭长的纵向裂纹，裂纹开口较小，外壁测量的裂纹长度约70 mm，如图2（a）所示；将管子纵向剖开，内壁测量的裂纹长度约40 mm，如图2（b）所示；裂纹附近外壁局部区域发现有折叠类缺陷，如图2（c）所示；在缺陷附近有疑似裂纹出现，如图2（d）所示；管段外壁表面存在一条沿管子纵向较长分布的加工变形段，如图2（e）所示；变形段表面呈平面状态，沿管子横截面观察可见，管子内壁表面也有变形，如图2（f）所示，且裂纹恰好位于该变形段。

图2 开裂管表面宏观形貌

1.2 化学成分分析

开裂水冷壁管取样化学成分分析结果如表1 所示。结果表明，管段化学成分符合标准GB/T 5310-2017 对20G 化学成分的要求。

表1 化学成分分析结果 wt%

1.3 力学性能测试

两管段取样室温拉伸及硬度测试结果分别如表2～3所示。其中，变形段和无变形段试样分别为裂纹所在的变形段和远离变形段的直管段取样。结果可见，两管段室温拉伸性能及硬度值均满足GB/T 5310-2017标准要求，且变形段与无变形段硬度值无明显差别。

表2 拉伸性能测试结果

表3 硬度测试结果 HBW

1.4 金相检验

在管段变形段及远离变形段的无变形直管段取环状试样，分别编号J1、J2进行金相检验，结果如图3～4 所示。两位置取样金相组织均为铁素体+珠光体，组织未见明显球化。J1、J2内壁均存在大量的腐蚀坑，导致内壁表面粗糙不平。J1 内壁还出现凹槽型的轻微加工缺陷，外壁表面在管段加工变形的位置发现一条由外壁向内壁扩展的微裂纹，裂纹内部充满氧化皮，裂纹尖端也有较深的氧化，且尖端较为圆钝，可见在管段运行期间，该裂纹未产生明显扩展。两取样外壁无明显加工变形的位置，微观上也呈现出较多的凹坑状，但凹坑深度相对较浅，对管段整体性能影响较小。

图3 J1 试样显微组织形貌

图4 J2 试样显微组织形貌

在裂纹尖端取样J3裂纹形貌如图5 所示。裂纹宏观上较为平直，由管子外壁向内壁扩展。裂纹内部氧化皮厚度沿裂纹深度方向出现一明显的分界线，分界线上方裂纹开口侧氧化层厚度明显较厚，而分界线下方和管段外壁的氧化层要薄得多。裂纹开口侧显微组织为铁素体+珠光体，晶粒未见明显的拉长变形，塑性变形特征不明显。裂纹尖端以穿晶+沿晶的混合形貌扩展。

图5 J3 试样裂纹显微形貌

2 分析讨论

通过上述各项检验，对检验结果进行分析。

（1）开裂管段取样的化学成分、室温拉伸性能及布氏硬度值均符合GB/T 5310-2017等相关标准规定，可基本排除管段化学成分或力学性能不合格等材质问题而导致泄漏的可能性。

（2）管段内壁均有明显的腐蚀坑，但未发现内壁有与腐蚀坑相关的微裂纹，且宏观检查发现泄漏位置主裂纹外壁侧裂纹长度明显比内壁侧要长得多，表明泄漏位置主裂纹的形成与内壁腐蚀无关。

（3）开裂管泄漏位置为一条沿管子纵向的狭长裂纹，裂纹开口较小。裂纹附近外壁局部区域发现有折叠类缺陷。折叠是钢管常见的热加工缺陷，严重影响钢管的产品质量［1］。管段一侧还出现一段较大长度的加工变形，且裂纹恰好位于该变形段。在变形段远离主裂纹的位置也有沿管子纵向分布的疑似裂纹出现，经取样进行金相检验表明，上述疑似裂纹为由外壁向内壁扩展的微裂纹，裂纹内部充满氧化皮，裂纹尖端圆钝，且氧化严重，表明该裂纹的形成时间较早。

（4）金相检验发现，管段不同位置显微组织均为铁素体+珠光体，组织无明显球化，且宏观检验时也未见管段有明显胀粗，表明管段不存在长时过热特征［2-3］。泄漏位置主裂纹内部氧化皮厚度沿裂纹深度方向有明显的分界，在一定深度范围内氧化皮较厚，且其厚度明显超过管子外壁和分界线另一侧裂纹尖端侧的氧化皮厚度。由此可见，泄漏位置主裂纹及管子变形段外壁侧微裂纹形成于管子运行之前。裂纹开口侧显微组织为铁素体+珠光体，晶粒未见明显的拉长变形，塑性变形特征不明显，可见管子的开裂也并非短时过热所致［4-5］。

（5）锅炉水冷壁管的失效模式主要有长时过热、短时过热、苛性腐蚀、氢损伤、吹灰器磨损、热疲劳裂纹、腐蚀疲劳等［6-7］。综合以上分析可见，本次水冷壁管的开裂并非由上述因素所导致，而是与管子加工过程中出现的原始缺陷有关。管材质量不好，如产生重皮、过大的加工直道、机械碰伤等，会产生较大的应力集中，在高温高压下工作，最终会导致管子开裂泄漏［8］。本次开裂的水冷壁管在投入运行之前，管段变形位置已出现纵向微裂纹，在管段运行过程中，部分微裂纹在管内产生的较高应力作用下由外壁向内壁缓慢扩展，并最终导致管段泄漏。