水冷壁管是鍋爐熱量傳遞的核心部件,其在正常運行狀態(tài)須承受機組啟停、載荷變化帶來的溫度場、應(yīng)力場變化[1-3],以及高溫?zé)煔?、水汽介質(zhì)的沖刷和腐蝕作用[4-6]。管材料中的原始缺陷[7-8]、施工焊接缺陷等[9-10]將直接影響水冷壁管的使用壽命,極易發(fā)生水冷壁爆管泄漏事故,嚴(yán)重威脅鍋爐的安全性[11]。某發(fā)電廠3號鍋爐為某鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界自然循環(huán)汽包爐,于2007年8月投入使用,累計運行18萬h。鍋爐使用單爐膛∏型布置,四角切圓燃燒,固態(tài)排渣,水冷壁管為鰭片焊接的膜式水冷壁管,材料為20G鋼,規(guī)格為63.5 mm×8 mm（外徑×壁厚）,密封板材料為Q235-A鋼。2023年8月,鍋爐后水冷壁上部發(fā)生泄漏現(xiàn)象,停機檢修期發(fā)現(xiàn)爐膛上部折焰角斜坡位置左數(shù)第22根水冷壁管開裂泄漏。為保障機組正常運行,筆者采用一系列理化檢驗方法對鍋爐水冷壁爆管事故原因進行分析,并提出改進措施。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

泄漏水冷壁管位于折焰角斜坡爐左數(shù)第22根水冷壁管直管段,泄漏水冷壁管宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：開裂位置上方補焊密封板,密封板拼口處缺口平整,未見火焰切割與機械切割痕跡,未見明顯的腐蝕產(chǎn)物層；裂紋由密封板拼口處啟裂,沿密封板角焊縫向水冷壁管焊趾擴展,止裂于水冷壁向火側(cè)母材,裂紋環(huán)向長度約為10 mm,軸向延伸約17 mm。沿裂紋打開水冷壁,對斷口進行觀察,可見斷口整體呈銹紅色與黑色交錯,表面有明顯沖刷痕跡,斷面由外向內(nèi)呈弧形擴展,斷口橫截面未見明顯的腐蝕減薄和脹粗現(xiàn)象。 

圖  1  泄漏水冷壁管宏觀形貌

1.2   力學(xué)性能測試

在爆管向火面和背火面取樣,分別編號為試樣1,2。對試樣進行常溫力學(xué)性能測試。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》制備寬度為10 mm的縱向弧形試樣,采用電子拉伸試驗機對試樣進行拉伸試驗；按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》制作尺寸為5 mm×10 mm×55 mm（長度×寬度×高度）的夏比V型缺口試樣,對試樣進行沖擊試驗,試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果均滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》要求,其中角焊縫的3次硬度實測值為196~198 HV,滿足DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的要求。 

1.3   化學(xué)成分分析

采用移動便攜式光譜儀對母材和角焊縫試樣進行化學(xué)成分分析,結(jié)果分別如表2,3所示。由表2,3可知：水冷壁母材化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017要求,角焊縫化學(xué)成分符合DL/T 869—2021中E5016型號焊條的化學(xué)成分要求。 

1.4   金相檢驗

分別對開裂位置向火側(cè)、背火側(cè)母材橫截面和密封板角接接頭處截取試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：母材和焊縫橫截面顯微組織為鐵素體+珠光體,球化級別均為1.5級,顯微組織正常；在密封板與母材角焊縫中間底部存在未熔合區(qū)域,未熔合區(qū)附近可見兩處沿厚度方向由管外表面向內(nèi)擴展的裂紋,裂紋寬且直,呈倒三角形態(tài),長度約為50 μm,內(nèi)有氧化物填充,尖端局部放大后,可見主裂紋附近存在二次裂紋。 

圖  2  泄漏管的微觀形貌

1.5   掃描電鏡（SEM）和能譜分析

在開裂部位截取試樣,再用體積分數(shù)為5%的稀鹽酸丙酮溶液對斷口進行超聲波清洗,將清洗前后斷口試樣置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：水冷壁管局部已開裂,并貫穿整個壁厚,貫穿斷口平齊,表面覆蓋一層氧化皮層,并可見明顯沖刷痕跡,斷口兩側(cè)局部可見相互平行的弧形花樣；斷口表面存在明顯的貝殼紋和微觀疲勞輝紋,裂紋源區(qū)位于外表面密封板拼口處根部,由外表面向內(nèi)表面擴展。 

圖  3  泄漏管斷口截面SEM形貌

采用掃描電鏡附帶的能譜儀對未清洗斷口處的腐蝕產(chǎn)物層進行能譜分析,結(jié)果如圖4所示。未貫穿部位腐蝕產(chǎn)物層主要為鐵和氧元素,同時還存在少量碳、鈣、錳等元素。貫穿部位腐蝕產(chǎn)物層主要為鐵和氧元素,并含有少量碳、磷、硫、錳等元素?？梢姼g產(chǎn)物層更多的是高溫氧化產(chǎn)物,并未形成腐蝕性較強的硫酸鹽或者氯化腐蝕物。對母材內(nèi)表面氧化皮厚度進行測量,測得氧化皮最大厚度不大于50 μm,并未顯示明顯的氧化皮。 

圖  4  泄漏管斷口截面腐蝕產(chǎn)物能譜圖

2.   綜合分析

開裂位置為折焰角斜坡水冷壁密封板拼口處,裂紋沿密封板角焊縫向水冷壁管焊趾擴展,止裂于水冷壁向火側(cè)母材。斷口整體呈銹紅色與黑色交錯,表面有明顯沖刷痕跡,斷面由外向內(nèi)呈弧形擴展,未見明顯的腐蝕減薄和脹粗現(xiàn)象。常溫力學(xué)性能測試和化學(xué)成分分析結(jié)果表明,母材和焊縫性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。開裂位置母材、焊縫橫截面顯微組織均為鐵素體+珠光體,珠光體球化級別約為1.5級,組織正常。在母材與密封板角焊縫中間存在未熔合區(qū),未熔合區(qū)附近可見沿厚度方向由管外表面向內(nèi)擴展的裂紋,內(nèi)有氧化物填充。斷口處可見明顯的貝殼紋和微觀疲勞輝紋,裂紋源區(qū)位于外表面密封板拼口處根部,由外表面向內(nèi)表面擴展。在斷口內(nèi)表面處可見氧化產(chǎn)物層,產(chǎn)物主要為鐵和氧元素,同時具有少量碳、磷、硫、錳等元素,并未發(fā)現(xiàn)腐蝕性較強的硫酸鹽或者氯化物。 

綜上分析,水冷壁爆管是由于密封板根部焊接后存在未熔合缺陷,并導(dǎo)致應(yīng)力集中,在溫差熱應(yīng)力和疲勞應(yīng)力的綜合作用下,形成疲勞裂紋并最終發(fā)生開裂爆管。母材與密封板角焊縫存在未熔合區(qū),引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中,在該位置形成峰值應(yīng)力[12]。鍋爐啟停或載荷頻繁波動引起水冷壁管劇烈振動,同時折焰角區(qū)域受煙氣沖刷,密封板與水冷壁管局部存在較大溫差,形成循環(huán)熱應(yīng)力[13],在未熔合區(qū)形成疲勞源區(qū),在持續(xù)的疲勞應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下,管壁裂紋不斷擴展,并在斷口出現(xiàn)二次裂紋[14]。疲勞裂紋在裂紋源區(qū)形成,并向內(nèi)表面擴展,最終穿透管壁,導(dǎo)致管泄漏。 

3.   結(jié)論與建議

水冷壁管爆管泄漏的原因是密封板根部存在未熔合區(qū),引起應(yīng)力集中,在鍋爐啟停及載荷波動,以及煙氣沖刷作用下萌生疲勞裂紋,裂紋由外表面擴展到內(nèi)表面,形成貫穿裂紋。針對該爆管事故,建議采取以下措施來保障鍋爐的安全運行。 

（1）提高現(xiàn)場焊接接頭質(zhì)量和無損檢測要求,根據(jù)DL/T 869—2021標(biāo)準(zhǔn)要求制定焊接工藝文件并嚴(yán)格執(zhí)行,采用射線和表面檢測等方法提高焊接缺陷的檢出能力。 

（2）對水冷壁密封板焊接過程中產(chǎn)生的尖銳缺口、溝槽、毛刺等導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中位置進行打磨,并進行表面無損檢測,避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

文章來源——材料與測試網(wǎng)