李梦阳
中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院，西安 710021
摘要：某500MW塔式锅炉包墙过热器运行期间发生泄露。通过宏观检查分析、化学成分分析、室温力学性能试验、金相组织分析等方法对泄露部件进行失效分析，结果表明：本次泄露是由鳍片焊缝熔合线开裂引起的泄露，而鳍片熔合线处开裂与鳍片焊接质量、机组负荷变化等原因产生的交变热应力有关。
关键词：塔式炉；包墙过热器；鳍片；焊接；热应力
1 前言
“四管”泄露事故的发生一直是困扰火力发电企业安全稳定运行的重大威胁。某捷制塔式锅炉单机容量500MW，机组主设备从捷克斯洛伐克成套引进，锅炉设备由斯洛伐克吐尔玛齐锅炉厂制造，为亚临界低倍率强制循环固态排渣塔式锅炉。锅炉自2005年05月投产运行，截止目前，累计运行时间均约10万小时。
锅炉自投运以来，由于“四管”泄露引起非事故停机事件时有发生。本次在锅炉运行期间因泄露引起非停事故的部件为膜式壁结构的包墙过热器，为了对本次泄露事故进行失效分析，采用宏观检查分析、化学成分分析、室温力学性能、金相组织分析等方法对泄露部位进行取样试验。
2 试验分析与结果讨论
该塔式锅炉炉顶标高约112.4m，整个受热面及本体附件全部悬吊在由4根立柱支撑的大板梁上。由水冷壁和包墙过热器组成的膜式壁全部由刚性吊杆悬吊于炉顶大板梁上。自65.8m至96.8m尾部竖直烟道内自上而下依次布置着卧式结构的三级过热器、四级过热器、高温再热器、二级过热器、低温再热器、省煤器，同样由内部悬吊管悬吊于炉顶横梁上。尾部受热面联箱布置于炉前后墙，由沿炉墙四周布置的外悬吊管悬吊于炉顶大板梁上，内、外悬吊管均作为一级过热器的一部分。在水冷壁下部布置着三层前后错列对冲结构燃烧器，燃烧器由水冷壁悬吊管悬吊，水冷壁悬吊管由恒力吊架与受热面联箱外悬吊管相连接【1~5】。本次包墙过热器泄露位置为标高约72米炉前侧，对泄露部位进行取样，照片如图1所示。为了对泄露管样进行对比分析，选取泄露管样及邻近管样进行取样，泄露管样编号为1号，邻近吹损管样编号为2号，对取样试样进行化学成分分析、室温力学性能试验、金相组织分析以及氧化皮测量等试验。
2.1 宏观分析
通过宏观形貌观察，泄漏管样鳍片处存在约130mm开裂，未见明显吹损；泄露管样鳍片连接2根管样均存在多处吹损、减薄、泄漏的痕迹。三根管样表面未见明显腐蚀、鼓包、变形现象，内外壁氧化皮均较轻。
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图1包墙过热器管泄漏处宏观形貌
2.2 化学成分分析
从电厂了解到锅炉包墙过热器材质均为15Mo3耐热钢，规格为Ф31.8×5mm。利用直读式光谱仪对泄露管样光谱分析结果如表1所示。从光谱检测分析结果可以看出，1号、2号管样化学成分各元素的检测数据均满足DIN17155标准对15Mo3耐热钢化学成分的要求。
表1 泄露管样化学成分
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2.5 金相检验
对1号、2号试样分别选取母材在显微镜下进行金相组织观察试验。
（1）1号管样的向火侧和背火侧金相组织均为珠光体+铁素体组织，晶粒度约为6到8级，其中向火侧老化约为3级，背火侧老化约为2级。见图2、图3。
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对1号管样母材进行金相检验时发现，管样一侧鳍片与管样母材之间存在根部结构性未熔合，未熔合区域贯穿鳍片两侧熔池，详见图4；另一侧鳍片两边熔池熔合状态良好。对未熔合区域在显微镜下进行放大，发现未熔合部位有向鳍片和管子两侧母材部分氧化扩展的趋势，详见图5。
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（2）2号管样的向火侧和背火侧金相组织均为珠光体+铁素体组织，晶粒度约为6到8级，其中向火侧老化约为2.5级，背火侧老化约为2级。见图6、图7。
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对2号管样母材进行金相检验时同样发现，管样一侧鳍片熔合线存在根部结构性未熔合，未熔合区域贯穿鳍片两侧熔池，详见图7；而另一侧鳍片则两边熔池熔合状态良好。对未熔合区域在显微镜下进行放大，发现未熔合部位氧化程度较大，同时未熔合部分一侧有向熔池方向沿熔合线扩展的趋势，详见图8。
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2.6 管壁氧化皮厚度测量
在200倍视场下分别对1号、2号试样进行未剥落氧化皮厚度测量和观察。《火力发电厂金属技术监督规程》 （DL/T 438-2016）标准规定过热器和再热器管外表面氧化厚度不超过0.6mm。《火力发电厂锅炉受热面管监督检验技术导则》 （DL/T 939-2016）标准规定对于铁素体钢高温过热器和高温再热器管累计运行时间达到50000h后，内壁氧化厚度超过0.5mm时，应对管子材质状态评估。测量发现试样内外壁氧化皮厚度均未超过标准要求。
（1）1号试样内壁氧化皮厚度最大值达到0.164mm；外壁氧化皮厚度最大值达到0.056mm，见图10、图11。
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2.7 结论
（1）1号管样向火侧抗拉强度接近标准下限值，向火侧母材硬度接近标准下限值，金相检验发现一侧管样母材与鳍片之间存在结构性未熔合，且有向两侧母材氧化扩展的趋势，其余未见明显异常;2号管样向火侧和背火侧母材硬度均接近标准下限值，金相检验发现一侧管样母材与鳍片之间存在结构性未熔合，未熔合部位氧化严重，且一侧有向熔池方向沿熔合线扩展的趋势，其余未见明显异常。
（2）对1号、2号管样金相试样宏观检验发现，存在结构性未熔合一侧管样外观焊接质量状态较差，表面粗糙不平；而不存在结构性未熔合的另一侧则外观焊接质量较好，从而推测焊接质量较差一侧可能为现场手工焊口，焊接质量较好一侧为厂家自动焊口。同时金相检验发现，结构性未熔合区域已经出现向两侧母材氧化扩展的趋势，当氧化程度进一步扩展时，有可能产生管样内壁或外壁的开裂问题。
3 结语
（1）通过实验结果表明，本次泄露事故的发生主要由包墙过热器管鳍片结构焊缝熔合线开裂导致，而熔合线处开裂与焊缝焊接质量、机组负荷变化等原因产生的交变热应力有关。
（2）根据以往检验情况及相关资料了解，电厂对包墙过热器更换情况较多。建议电厂对包墙过热器鳍片现场焊接时把控好焊接质量，注意焊接成型，避免在焊缝处形成应力集中；同时对包墙过热器现场手工焊口鳍片熔合线等位置在机组停机期间进行重点检验。
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