圖 1爆口處和遠離爆口處水冷壁管的宏觀形貌
鍋爐受熱面“四管”泄漏會使火電機組停機[1-2]。鍋爐“四管”中水冷壁管所處的環(huán)境最為苛刻，管內(nèi)外服役環(huán)境差異較大，受力最復(fù)雜，煙氣腐蝕最嚴重，在服役過程中易發(fā)生吹損減薄、高溫腐蝕、超溫、堿腐蝕等事故，導(dǎo)致水冷壁管泄漏[3-5]。
某電廠2號鍋爐為一次再熱、平衡通風(fēng)、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型超超臨界參數(shù)變壓直流爐，機組子2010年投運，累計運行時間為8 685.48 h。水冷壁設(shè)計介質(zhì)的壓力為31 MPa，溫度為480 ℃。爐膛水冷壁為內(nèi)螺紋管垂直上升式焊接膜式壁，其材料為15CrMoG鋼，規(guī)格為28.6 mm×6.4 mm（直徑×厚度）。前墻標高48 m處一水冷壁管（自爐左側(cè)第74根管，EF層燃燒器上部偏爐右，處于蒸發(fā)區(qū)域）發(fā)生爆管事故，附近21根管子有橫向裂紋。筆者采用一系列理化檢驗方法對水冷壁爆管原因進行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對爆口處和遠離爆口處的水冷壁管進行宏觀觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：爆口處水冷壁管表面有明顯的結(jié)垢，在向火側(cè)表面分布有大量平行橫向條紋，主爆口靠近焊縫，背火側(cè)無結(jié)垢；遠離爆口處的水冷壁管向火側(cè)表面無結(jié)垢，在向火側(cè)表面也有平行橫向條紋。
對爆口處和遠離爆口處水冷壁管的剖面進行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：兩個管子的向火側(cè)外壁均可見大量的橫向微裂紋，裂紋由外壁向內(nèi)壁直線擴展，裂紋長短不一，有較明顯的熱疲勞裂紋特征；兩個管子的背火側(cè)未見明顯裂紋。
圖 2爆口處和遠離爆口處水冷壁管剖面的宏觀形貌
1.2 化學(xué)成分分析
對開裂水冷壁管進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂水冷壁管的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG鋼的要求。
Table 1.開裂水冷壁管的化學(xué)成分分析結(jié)果
1.3 力學(xué)性能測試
在開裂水冷壁管的背火側(cè)取樣，依據(jù)GB/T 228—2021《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》，利用電子拉伸萬能試驗機對試樣進行拉伸試驗，采用弧形試樣，保留試樣原始表面狀態(tài)，拉伸試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知：試樣的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均滿足GB/T 5310—2017對15CrMoG鋼的要求。
Table 2.開裂水冷壁管的拉伸試驗結(jié)果
在爆口處和遠離爆口處的水冷壁管上取樣，依據(jù)GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用臺式硬度計對試樣進行硬度測試，載荷為1 838.7 N，保持時間為10 s，硬度測試結(jié)果如表3所示。由表3可知：爆口處和遠離爆口處的水冷壁管硬度均滿足DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求（118~180 HBW），且向火側(cè)和背火側(cè)的硬度無顯著差異。
Table 3.爆口處和遠離爆口處水冷壁管的硬度測試結(jié)果
1.4 金相檢驗
依據(jù)DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》對爆口處水冷壁管進行金相檢驗，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：向火側(cè)組織為鐵素體+貝氏體，珠光體部分已經(jīng)分散，但仍保持原區(qū)域形態(tài)，球化級別為2~2.5級；背火側(cè)組織為鐵素體+貝氏體，珠光體形態(tài)完整，球化級別為1級。相對背火側(cè)組織，向火側(cè)組織的球化程度略高，表明向火側(cè)金屬壁溫度較高，這在一定程度上加速了材料老化。
圖 3爆口處水冷壁管的顯微組織形貌
爆口處水冷壁管的微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：向火側(cè)外壁存在大量橫向裂紋，多數(shù)裂紋形態(tài)為楔形，從外壁向內(nèi)壁擴展，裂紋區(qū)域內(nèi)存在氧化腐蝕產(chǎn)物，裂紋端部呈圓鈍狀，裂紋擴展形式為穿晶擴展，呈開裂→鈍化→開裂特征[6-8]；向火側(cè)內(nèi)壁也存在橫向裂紋，其形態(tài)與外壁裂紋類似，但數(shù)量和長度少于外壁裂紋；背火側(cè)內(nèi)外壁均未發(fā)現(xiàn)裂紋。
圖 4爆口處水冷壁管的微觀形貌
1.5 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
利用掃描電鏡和能譜儀對水冷壁管向火側(cè)外壁的垢樣進行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：該垢樣主要為煙灰成分，且含有較高濃度的S元素。
圖 5水冷壁管向火側(cè)外壁垢樣的SEM形貌及能譜分析結(jié)果
利用掃描電鏡和能譜儀對水冷壁管裂紋處進行能譜分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：該區(qū)域內(nèi)存在S、Na、Ca等元素。
圖 6水冷壁管裂紋處的SEM形貌及能譜分析結(jié)果
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知：開裂水冷壁管的力學(xué)性能滿足相關(guān)標準要求；爆口處管子向火側(cè)組織為鐵素體+貝氏體，珠光體部分已經(jīng)分散，但仍保持原區(qū)域形態(tài)，球化級別為2~2.5級，管材硬度為149 HBW，說明材料處于老化的初期階段；爆口處管子背火側(cè)仍保持原珠光體區(qū)域特征，碳化物無明顯擴散特征。同一管排向火側(cè)、背火側(cè)的組織存在差異，表明運行過程中，向火側(cè)金屬壁溫度較高，這在一定程度上加速了材料老化。向火側(cè)硬度滿足標準要求，表明材料尚未發(fā)生嚴重的組織劣化、性能降低，故可排除因超溫運行引起爆管的可能。
爆口處管上的裂紋為橫向平行裂紋，呈楔形，管內(nèi)外壁均有大量裂紋，裂紋均呈穿晶形態(tài)擴展；裂紋擴展具有明顯的方向性，一般與管壁周向應(yīng)力垂直；外壁裂紋充滿腐蝕性產(chǎn)物，主要含有S元素；內(nèi)壁裂紋幾乎無腐蝕產(chǎn)物、氧化產(chǎn)物；相比內(nèi)壁裂紋，外壁裂紋較多且較深。表明裂紋為典型的熱疲勞裂紋。
外壁裂紋的擴展過程為：萌生→擴展→粗化→再萌生→再擴展→再粗化。外壁裂紋內(nèi)部充滿了含S、Na、C等元素的鹽類腐蝕產(chǎn)物，該類產(chǎn)物為低合金鋼熱腐蝕時硫酸鹽作用于氧化皮而生成的復(fù)合硫酸鹽，復(fù)合鹽與裂紋尖端處的含F(xiàn)e氧化物反應(yīng)，從而形成氧化物生產(chǎn)、溶解及再沉積過程，連續(xù)完整的氧化膜被破壞，形成了疏松氧化物層，從而導(dǎo)致腐蝕加劇[9]。
結(jié)合電廠實際的水冷壁溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，管子頻繁出現(xiàn)溫度波動的情況，該開裂區(qū)域的溫差最高達到148 ℃；當(dāng)鍋爐運行工況發(fā)生變化時，由于汽水管道介質(zhì)狀態(tài)的變化會改變受熱面各區(qū)段所占的長度，即加熱、蒸發(fā)、過熱過程的分界點將隨之發(fā)生前后移動，從而造成某一區(qū)段溫度大幅下降或升高，形成了熱疲勞破壞的外部條件。水冷壁管內(nèi)介質(zhì)存在明顯溫度波動，尤其是開裂部位處于波動幅度較大的蒸發(fā)段區(qū)域（水、汽交變頻繁區(qū)域），機組頻繁調(diào)峰以及運行工況不穩(wěn)定造成該區(qū)域溫度頻繁波動，導(dǎo)致管子發(fā)生熱疲勞開裂，管子內(nèi)外壁均存在開裂傾向，當(dāng)管外壁開裂后，腐蝕性煙氣會進一步加速裂紋擴展。
3. 結(jié)語及建議
機組頻繁調(diào)峰以及運行工況不穩(wěn)定造成管子蒸發(fā)段區(qū)域發(fā)生熱疲勞開裂，外壁開裂后，腐蝕性煙氣加速了裂紋的擴展，最終導(dǎo)致水冷壁管發(fā)生爆管事故。
建議對直流鍋爐中汽水分界線發(fā)生波動的部位進行檢修，對蒸發(fā)段附近管段進行檢查，對發(fā)現(xiàn)的問題及時處理。調(diào)整運行工況可減少蒸汽溫度波動。
文章來源——材料與測試網(wǎng)