摘要：3号锅炉在运行过程中包墙过热器管发生开裂泄漏。为查明泄漏原因，了解包墙过热器管的寿命及健康状况，利用宏观形貌分析、化学成分分析、金相组织检测等方法对开裂的包墙过热器管进行了综合性试验分析。
结果表明，本次3号锅炉包墙过热器泄漏的主要原因为：首先，该包墙过热器管通过鳍片与水冷壁管相连接，而锅炉运行过程中包墙过热器与相邻的水冷壁介质温度不同、膨胀量不一致，导致包墙过热器钢管鳍片焊缝端部形成大的拉应力；其次，锅炉反复启停及负荷变化产生的交变膨胀-收缩载荷在包墙过热器近鳍片端部附近形成了疲劳开裂，在大的应力作用下沿鳍片端部焊缝熔合区的疲劳裂纹扩展贯穿钢管管壁，进而引发开裂泄漏。
建议，首先应排查其他同类型位置放热受热面管及鳍片焊缝是否存在开裂情况，发现问题及时处理；其次，应对不同级受热面通过鳍片相连接的结构进行改造，避免两者膨胀不同步而引发的应力集中及撕裂发生；再者，应优化运行制度，避免锅炉的频繁启停和短时间、大幅值负荷变化工况，以免再次发生类似开裂泄漏现象。
关键词：金属综合；包墙过热器；应力撕裂；疲劳
1 前言
1.1 任务来源
2019年11月26日18点32分，3号炉“四管泄漏检测系统”中的第13、14、15点突发“泄漏报警”，调取主要参数未见明显异常。11月30日晚，进入炉顶热箱内检查，发现B侧墙水冷壁和B侧水平烟道侧包墙过热器相邻的两根管均有漏点（共3处漏点），相邻顶棚过热器管有吹损痕迹。
电厂对泄漏的包墙过热器管进行取样送检，来样分析的包墙过热器管共计1根，其详细信息见表1。
表1 包墙过热器管样详细信息
样品编号 样品描述 规格 材质 状态
JS/Z-YP-2019-0895 3号锅炉包墙过热器管 Φ42×6.0mm 15GrMoG 开裂泄漏
1.2 客户设备概况
3号锅炉是由北京巴布科克－威尔科克斯有限责任公司制造的型号为B&WB－1018/18.44－M的、亚临界参数、一次中间再热自然循环汽包炉。设计燃料为准格尔露天矿洗中煤和末煤。采用正压直吹MPS中速磨系统，前后墙对冲燃烧方式，并配置有B&W标准的双调风旋流煤粉燃烧器。本锅炉采用钢构架紧身封闭结构，在尾部竖井下设置两台三分仓容克式空气预热器。锅炉额定蒸发量（THA工况）为928t/h，蒸汽出口压力为18.23Mpa。过热蒸汽流量1018/h，过热蒸汽出口压力18.34MPa，过热蒸汽出口温度543℃。
该机组于2007年9月30日投产运行，已累计运行约96000h。
1.3 试验目的
按照火力发电厂金属技术监督工作要求，为找出3号锅炉包墙过热器开裂泄漏原因，防止同类泄漏失效再次发生,保证机组安全、稳定、连续运行，受神华内蒙古国华准格尔发电有限责任公司委托，内蒙古电力科学研究院对开裂的3号包墙过热器管进行了综合性失效原因分析。
2 试验参照标准及仪器设备
2.1 试验参照标准
试验参照标准，见表2。
表2 试验参照标准
序号 标准编号 标准名称
1 DL/T 438—2016 火力发电厂金属技术监督规程
2 DL/T 939—2016 火力发电厂锅炉受热面管监督检验技术导则
3 GB/T 4336—2016 碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法
4 DL/T 884—2019 火电厂金相检验与评定技术导则
5 GB/T 5310—2017 高压锅炉用无缝钢管
6 DL/T 787—2001 火力发电厂用15GrMo钢珠光体球化评级标准
7 DL/T 869—2012 火力发电厂焊接技术规程
2.2 试验使用仪器设备
试验使用仪器设备，见表3。
表3 试验使用仪器设备
序号 仪器编号 仪器型号 仪器名称
1 3835000146 Carl Zeiss Axio Observer A1m 研究级倒置万能材料显微镜
2 121290/06 SPECZROMAXx 台式直读火花源原子发射光谱仪
3 2BW04900 FinePix HS33EXR 数码相机
注：以上仪器、仪表均在检定（校准）有效期内。
3 试验内容
3.1 试验原理
对开裂的3号锅炉包墙过热器管进行宏观形貌分析，检查其是否存在原始缺陷、磨损、机械损伤、氧化、腐蚀及焊接缺陷等痕迹，钢管有无胀粗及减薄等特征，并结合其它试验手段进行进一步分析。
按照GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法》要求，利用SPECTROMAXx型台式直读火花源原子发射光谱仪对包墙过热器管进行检测，以确定其化学成分是否符合设计材质的标准要求。
按照DL/T 884—2019《火电厂金相检验与评定技术导则》要求，利用AxioObserver.Alm型金相显微镜对包墙过热器管取样进行显微组织检测，确定其金相组织是否正常。
3.2 宏观形貌观察与分析
对泄漏的包墙过热器管进行宏观形貌分析。该包墙过热器管与相邻的水冷壁管通过鳍片焊接连接，漏点位于包墙过热器管上鳍片焊缝的端部熔合区并延伸至钢管母材。漏点及其附近未见明显塑性变形，未见明显的机械损伤、腐蚀损伤及氧化皮等缺陷。漏点处鳍片有较为明显的泄漏介质吹损痕迹，从裂纹在钢管外壁的长度大于管内壁，可以推测裂纹是由外壁向内壁扩展，如图1所示。
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图1 包墙过热器管宏观形貌
3.3 化学成分检测与分析
对泄漏的包墙过热器管取样进行化学成分检测，检测结果见表4。可以看出，包墙过热器15GrMoG管材的各元素含量均符合相关技术标准的要求。
表4 包墙过热器15GrMoG钢管母材化学成分检测结果 %
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3.4 显微组织检测与分析
对送检的包墙过热器管取样进行显微组织分析。包墙过热器钢管鳍片端部裂纹裂纹开口外大内小，裂口两侧晶粒有明显的流变形貌，呈现明显的自外向内撕裂特征；金相组织为铁素体+珠光体，球化等级为2级，属于倾向性球化，组织无异常。此外，钢管外表面近鳍片焊缝母材存在周向平行分布、由外向内扩展的细小裂纹，具有较为典型的疲劳开裂特征，如图2所示。
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图2 包墙过热器管显微组织
4 试验结果及分析
从宏观形貌分析，包墙过热器管与相邻的水冷壁管通过鳍片焊接连接，漏点位于包墙过热器管上鳍片焊缝的端部熔合区并延伸至钢管母材，由外壁向内壁扩展。
从化学成分分析，包墙过热器钢管材质符合15CrMoG的标准要求，不存在材质错用现象。
从金相组织分析，包墙过热器钢管鳍片端部裂纹裂纹开口外大内小，裂口两侧晶粒有明显的流变形貌，呈现明显的自外向内撕裂特征，金相组织无异常。钢管外表面近鳍片焊缝母材存在典型的疲劳开裂特征。
从受力角度分析，包墙过热器钢管与相邻的水冷壁钢管材质及介质温度不同，锅炉启停及负荷变化过程中两种钢管的膨胀-收缩量不一致，会在包墙过热器钢管鳍片端部形成大的应力集中。此外，包墙过热器钢管无鳍片部位自由度相对较大，有鳍片与无鳍片的两部分之间相当于形成悬臂梁结构，靠近鳍片的自由端在反复的膨胀-收缩作用下形成机械疲劳开裂，且疲劳开裂裂纹有可能与焊缝熔合区重叠，加速沿鳍片撕裂的进程。
5 结论及建议
5.1 结论
综上分析，结果表明，本次3号锅炉包墙过热器泄漏的主要原因为：首先，该包墙过热器管通过鳍片与水冷壁管相连接，而锅炉运行过程中包墙过热器与相邻的水冷壁介质温度不同、膨胀量不一致，导致包墙过热器钢管鳍片焊缝端部形成大的拉应力；其次，锅炉反复启停及负荷变化产生的交变膨胀-收缩载荷在包墙过热器近鳍片端部附近形成了疲劳开裂，在大的应力作用下沿着鳍片端部焊缝熔合区的疲劳裂纹扩展贯穿钢管管壁，进而引发开裂泄漏。
5.2 建议
首先，应排查其他同类型位置放热受热面管及鳍片焊缝是否存在开裂情况，发现问题及时处理；
其次，应对不同级受热面通过鳍片相连接的结构进行改造，避免两者膨胀不同步而引发的应力集中及撕裂发生；再者，应优化运行制度，避免锅炉的频繁启停和短时间、大幅值负荷变化工况，以免再次发生类似开裂泄漏现象。