分享：15CrMoG鋼水冷壁爆管原因

鍋爐受熱面“四管”泄漏會(huì)使火電機(jī)組停機(jī)[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(yán)重，在服役過(guò)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(hào)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(jī)組子2010年投運(yùn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為8 685.48 h。水冷壁設(shè)計(jì)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(biāo)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(yàn)方法對(duì)水冷壁爆管原因進(jìn)行分析，以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

對(duì)爆口處和遠(yuǎn)離爆口處的水冷壁管進(jìn)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(wú)結(jié)垢；遠(yuǎn)離爆口處的水冷壁管向火側(cè)表面無(wú)結(jié)垢，在向火側(cè)表面也有平行橫向條紋。 

圖  1  爆口處和遠(yuǎn)離爆口處水冷壁管的宏觀形貌

對(duì)爆口處和遠(yuǎn)離爆口處水冷壁管的剖面進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：兩個(gè)管子的向火側(cè)外壁均可見(jiàn)大量的橫向微裂紋，裂紋由外壁向內(nèi)壁直線擴(kuò)展，裂紋長(zhǎng)短不一，有較明顯的熱疲勞裂紋特征；兩個(gè)管子的背火側(cè)未見(jiàn)明顯裂紋。 

圖  2  爆口處和遠(yuǎn)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(duì)開(kāi)裂水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：開(kāi)裂水冷壁管的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)15CrMoG鋼的要求。 

1.3   力學(xué)性能測(cè)試

在開(kāi)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(yàn)方法》，利用電子拉伸萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用弧形試樣，保留試樣原始表面狀態(tài)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知：試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均滿(mǎn)足GB/T 5310—2017對(duì)15CrMoG鋼的要求。 

在爆口處和遠(yuǎn)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(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用臺(tái)式硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為1 838.7 N，保持時(shí)間為10 s，硬度測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知：爆口處和遠(yuǎn)離爆口處的水冷壁管硬度均滿(mǎn)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(wú)顯著差異。 

1.4   金相檢驗(yàn)

依據(jù)DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)爆口處水冷壁管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，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(jí)別為2~2.5級(jí)；背火側(cè)組織為鐵素體+貝氏體，珠光體形態(tài)完整，球化級(jí)別為1級(jí)。相對(duì)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(kuò)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(kuò)展形式為穿晶擴(kuò)展，呈開(kāi)裂→鈍化→開(kāi)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(lèi)似，但數(shù)量和長(zhǎng)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(duì)水冷壁管向火側(cè)外壁的垢樣進(jìn)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(duì)水冷壁管裂紋處進(jìn)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(yàn)結(jié)果可知：開(kāi)裂水冷壁管的力學(xué)性能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(jí)別為2~2.5級(jí)，管材硬度為149 HBW，說(shuō)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(wú)明顯擴(kuò)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(yùn)行過(guò)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(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明材料尚未發(fā)生嚴(yán)重的組織劣化、性能降低，故可排除因超溫運(yùn)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(kuò)展；裂紋擴(kuò)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(mǎn)腐蝕性產(chǎn)物，主要含有S元素；內(nèi)壁裂紋幾乎無(wú)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(kuò)展過(guò)程為：萌生→擴(kuò)展→粗化→再萌生→再擴(kuò)展→再粗化。外壁裂紋內(nèi)部充滿(mǎn)了含S、Na、C等元素的鹽類(lèi)腐蝕產(chǎn)物，該類(lèi)產(chǎn)物為低合金鋼熱腐蝕時(shí)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(guò)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(shí)際的水冷壁溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，管子頻繁出現(xiàn)溫度波動(dòng)的情況，該開(kāi)裂區(qū)域的溫差最高達(dá)到148 ℃；當(dāng)鍋爐運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，由于汽水管道介質(zhì)狀態(tài)的變化會(huì)改變受熱面各區(qū)段所占的長(zhǎng)度，即加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱過(guò)程的分界點(diǎn)將隨之發(fā)生前后移動(dòng)，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(dòng)，尤其是開(kāi)裂部位處于波動(dòng)幅度較大的蒸發(fā)段區(qū)域（水、汽交變頻繁區(qū)域），機(jī)組頻繁調(diào)峰以及運(yùn)行工況不穩(wěn)定造成該區(qū)域溫度頻繁波動(dòng)，導(dǎo)致管子發(fā)生熱疲勞開(kāi)裂，管子內(nèi)外壁均存在開(kāi)裂傾向，當(dāng)管外壁開(kāi)裂后，腐蝕性煙氣會(huì)進(jìn)一步加速裂紋擴(kuò)展。 

3.   結(jié)語(yǔ)及建議

機(jī)組頻繁調(diào)峰以及運(yùn)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(kāi)裂，外壁開(kāi)裂后，腐蝕性煙氣加速了裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致水冷壁管發(fā)生爆管事故。 

建議對(duì)直流鍋爐中汽水分界線發(fā)生波動(dòng)的部位進(jìn)行檢修，對(duì)蒸發(fā)段附近管段進(jìn)行檢查，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)處理。調(diào)整運(yùn)行工況可減少蒸汽溫度波動(dòng)。 

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