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超临界锅炉水冷壁管泄漏原因分析

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：胡成龙

[导读] 摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，某电厂超临界机组发生折焰角位置水冷壁泄漏事件，通过对泄漏管段进行宏观检查和理化试验，分析了水冷壁管的泄漏原因。

        阿拉尔盛源热电有限责任公司新疆阿拉尔 843300
        摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，某电厂超临界机组发生折焰角位置水冷壁泄漏事件，通过对泄漏管段进行宏观检查和理化试验，分析了水冷壁管的泄漏原因。
        关键词：超临界锅炉；水冷壁；泄漏；疲劳裂纹
        引言
        通过宏观形貌观察、金相分析、扫描电镜分析和硬度试验对某电厂4号锅炉泄漏的水冷壁过渡管样进行了泄漏原因分析。结果表明：过渡管发生泄漏的原因是过渡管的内壁坡口加工处存在凹槽，凹槽处应力集中较大，在结构应力和内压应力的作用下，裂纹从凹槽处萌生，在机组启停、运行和调峰过程中逐渐由内壁向外壁扩展直至泄漏。
        1泄漏位置
        该锅炉水冷壁为膜式水冷壁，其中、下部与冷灰斗区域采用螺旋上升管屏，上部采用垂直上升管屏，共计313×4根。上部垂直水冷壁管规格为Φ31.8×6.2mm，材料为15CrMoG，节距为57.5mm；鳍片材料为15CrMo，厚度为6mm；炉顶水冷壁上集箱规格为Φ273×60mm，材料为15CrMoG。前后墙水冷壁上集箱各为一个集箱，左右侧墙水冷壁上集箱各分为炉前、炉后两个集箱。
        2超临界锅炉水冷壁管泄漏原因分析
        2.1管内壁垢量测定
        按照DL/T-2012《火力发电厂锅炉化学清洗导则》，采用酸洗法对1～4号试样向火侧和背火侧内壁垢层进行清洗。可见上述试样清洗前向火侧和背火侧内壁均存在较厚的垢层，清洗后向火侧和背火侧内壁垢层呈银灰色。
        2.2泄漏原因分析
        泄漏管段化学成分、力学性能均满足相关标准要求，可排除材质不合格导致泄漏的可能。管段各不同位置取样向火面和背火面金相组织为铁素体+珠光体，组织仅出现轻度的珠光体球化，表明管段不存在长时过热。泄漏位置管段无明显的胀粗或减薄，泄漏口呈狭窄的裂缝，裂缝边缘壁呈钝边，该特征不符合短时过热爆管的特征，因此也可排除短时过热爆管的可能。泄漏位置除有氧化皮外，裂口表面及附近管壁未见有异常的腐蚀痕迹，可排除腐蚀泄漏的可能。对泄漏位置宏观检查也未发现明显的宏观焊接缺陷，且管子运行时间较长，因此也基本可以排除焊接的因素。Cr-Mo钢本身具有一定的再热裂纹倾向，再热裂纹往往沿焊接热影响区的粗晶区呈沿晶扩展，裂纹走向较为曲折。金相检验时发现，泄漏管裂纹一端部取样、泄漏管另一侧鳍片焊缝取样，以及与泄漏管相邻的管子鳍片焊缝取样均存在裂纹，裂纹较为平直，呈穿晶扩展。上述裂纹特征不符合再热裂纹的典型特征，且热影响区粗晶区也未发现粗大的淬硬马氏体，因此也可排除再热裂纹导致泄漏的可能。泄漏位置的断面较为平整，无明显的塑性变形；泄漏位置附近的鳍片与母材焊接熔合区及热影响区裂纹均为穿晶裂纹，裂纹在焊缝表面应力相对集中的熔合区启裂，向管子内壁侧扩展且裂纹整体较为平直。上述特征与疲劳断裂的典型特征较为相符，但断口表面在高温下氧化严重，未能观察到与疲劳相关的疲劳条带等微观特征。初步判定管段的开裂性质可能为疲劳开裂。本次泄漏位置处于炉膛出口处，而炉膛出口处往往存在烟气旋转残余导致各管屏间烟气温度和烟气流速分布不均现象。这种温度场的波动温差与管内介质流量不匹配的情况下以及相邻管子温度梯度过大时，会对水冷壁管排产生附加热应力，尤其是在低负荷工况下管内介质流量不足带来的温差应力更为明显。同时，管屏之间由于受热不均而导致膨胀量不同也会引起管屏间的结构应力，该区域水冷壁管存在明显起伏变形就是佐证。同时在运行过程中随炉膛温度的变化管子本身金属壁温也会出现交替变化，特别是在锅炉启停阶段这种变化更为明显。水冷壁管鳍片焊缝正是长期在上述热应力和附加的结构应力的综合作用下引起塑性变形的累积损伤而产生疲劳裂纹。

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        2.3力学性能试验
        按照GB/T-228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》要求，在1～4号试样向火侧和背火侧各制取1个拉伸试样，可以看出，存在泄漏口的1，3号试样的塑性延伸强度、抗拉强度均比无泄漏口的2，4号试样的要低。由于1，3号试样内壁垢量过多，管壁热量难以被带走，使传热能力恶化，从而导致管壁温度升高。而片层状珠光体是一种不稳定的组织，当管壁温度升高时，原子活动力增强，扩散速度增加，片层状珠光体便有向球状珠光体转变的趋势，从而使材料的塑性延伸强度、抗拉强度降低，综合力学性能下降。但是上述试样的塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率均符合GB5310-2008标准对15CrMoG钢的要求。
        2.4金相分析
        对管样各个部位进行金相组织观察，结果如下：（1）裂纹产生于内壁坡口加工的凹槽处，由内壁向外壁方向扩展，近内壁的裂纹较为笔直，无分叉，裂纹尖端处存在分叉，裂纹内存在氧化物；（2）过渡管的母材显微组织为贝氏体+铁素体，球化1-2级，晶粒度为4-5级；过渡管热影响区的显微组织为贝氏体+铁素体；水冷壁管母材的显微组织为铁素体+珠光体，球化2级，晶粒度为7-8级；水冷壁管热影响区的显微组织为珠光体+铁素体；焊缝的显微组织为贝氏体。
        3分析与讨论
        由上述检验结果可知，水冷壁管试样的化学成分、塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率、维氏硬度均符合相关标准的要求。泄漏口处及其附近有一定的过热迹象（珠光体球化），其微观组织球化程度和硬度、力学性能的降低程度一致，因此试样基体材料的质量正常。试样外壁均存在一层较厚的垢层，由于垢层中存在腐蚀性的硫元素，从而导致试样向火侧管壁厚度略有减薄，带有泄漏口的试样减薄更明显。由此可知，试样外壁存在高温硫腐蚀，形成了应力集中点及裂纹源，导致后续水冷壁管裂纹的萌生及扩展。带有泄漏口的试样内壁结垢严重且分布不均，内壁大量结垢降低了导热系数，在水冷壁管内汽水混合物与管壁之间起着局部隔热作用，这造成了三方面的后果：（1）管壁的热量难以被带走，使传热不佳导致管壁温度升高、材料组织球化明显和力学性能下降。（2）试样内壁形成垢下腐蚀，形成腐蚀坑。（3）试样内壁垢层厚的区域传热慢，垢层薄的区域传热相对快，使两个区域产生温差。此外，试样内、外壁裂纹均存在疲劳特征，表明水冷壁管在服役过程中存在交变应力，引起其产生交变应力主要有两方面的原因：（1）水冷壁管内壁垢层厚度分布不均产生温差，在锅炉运行过程中内壁形成交变热应力。（2）锅炉燃烧不稳定引起交变热应力。在锅炉燃烧不稳定情况下，易造成火焰间歇性偏斜，当火焰中心距水冷壁较近时，水冷壁管的内、外壁温度升高；当火焰中心距水冷壁较远时，水冷壁管的内、外壁温度降低，造成水冷壁管内、外壁存在较大温差引起较大的热应力。在以上热应力和腐蚀介质的长期作用下，水冷壁管的外壁和内壁分别发生腐蚀性热疲劳损伤和热疲劳损伤，在外壁和内壁产生裂纹。由金相检验结果可知，泄漏口处组织的片层状碳化物开始分散并趋于球化，而未泄漏处的组织原珠光体形态明显，碳化物呈片状且未分散，泄漏管段存在超温现象。
        结语
        鉴于锅炉水冷壁管失效原因分析，认为应加强同类型机组此处位置的排查，重点排查省煤器下降管是否挤压下部水冷壁管，若存在挤压情况，则可考虑将受挤压的2根水冷壁让位管向内壁方向避让或将穿墙孔处水冷壁让位管整体下移，以保证两者间有足够的间隙，避免相对位移造成管道膨胀受阻及水冷壁鳍片撕裂。
        参考文献：
        [1]刘艳梅，周丽新，等.材料中裂纹的分析方法[J].铸造技术，2015，36（2）：263-266.
        [2]钟群鹏，赵子华.断口学[M].北京：高等教育出版社，2006.
        [3]全国钢标准化委员会.GB/T4340.1—2009金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法[S].北京：中国标准出版社，2009.