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摘要：锅炉的受热面管主要包括水冷壁、过热器、再热器、省煤器、空气预热器等，是电站锅炉的重要组成部分，由于受热面管长期在高温高压强腐蚀的环境下工作，因此在火力电站中锅炉的受热面管工作环境最为恶劣，锅炉事故60%～70%发生在受热面，其失效形式主要有高温腐蚀损伤、疲劳损伤、断裂失效、过热爆口等。本文主要对电站锅炉低温再热器冷弯断裂成因进行了简单的探讨，以供相关人员参考。
关键词：电站锅炉；再热器；失效形式；断裂失效；晶相检测
引言
电站锅炉设备在长时间高负荷的运转下，会产生很多问题，比如疲劳变形、腐蚀磨损、断裂、设备老化等，从而降低生产效率，增加生产成本。因此，研究电站锅炉零部件的失效形式，分析详细的失效原因，找到对应的解决方案，从而以较少的人力、物力和时间投入，解决实际生产过程中电站锅炉失效问题，达到理论研究与工程实践结合，应检则检、检必有果的效果，增强火电机组的效益。
1、锅炉受热面管失效机理概述
1.1、过热爆口
过热爆口失效可分为短时过热爆口和长时过热爆口。短时过热是指在实际运行期间，系统内温度达到材料的临界温度所导致的损伤。短时超温爆口胀粗明显，管壁减薄，爆口尖锐锋利，无纵向裂纹和氧化层。长时过热是指管子长时间壁温超过设计壁温，导致材料高温持久性能下降。长时间爆口呈粗糙脆性断面的大张口，边缘较钝，管壁减薄不多，管子蠕胀不明显，爆口周围有纵向裂纹，爆口内壁具有较厚的氧化铁层。
1.2、疲劳损伤
疲劳损伤主要有热疲劳和腐蚀疲劳两种。热疲劳损伤是指金属材料由于温度梯度循环引起的热应力循环而产生的疲劳破坏现象。形成原因在于机组环境温度不恒定，负荷波动大，在零件内部产生热应力；当温度反复变化，热应力也周期变化，进而产生塑性变形和裂纹，从而使材料受到疲劳损伤。腐蚀疲劳是在交变应力和腐蚀介质共同作用下，产生裂纹损伤，降低金属的疲劳强度和疲劳寿命。腐蚀疲劳多数是由小孔腐蚀引起的，断口的起源常在孔蚀处，呈贝壳状，黑白交替分明。
1.3、高温腐蚀
锅炉受热面高温腐蚀损伤主要有两种：高温烟气腐蚀和蒸汽腐蚀。高温烟气腐蚀通常发生在锅炉胶水冷壁和过热器受热面烟气侧金属管壁。煤粉在高温气流的作用下，在金属管壁附近燃烧，造成局部含氧量降低，一氧化碳含量增高，生成较高浓度的强腐蚀性硫化氢气体，导致炉内腐蚀。一般来说，高温烟气腐蚀发生的区域会生成大量的结焦，如果去除掉这些结焦，可以发现外表面附着有一层棕红色氧化物薄膜，且管子表面存在不规则的沟槽，存在明显局部减薄。
2、电站锅炉低温再热器裂纹案例分析
2.1、案例概况
某300MW机组锅炉为一次中间再热自然循环锅炉，锅炉结构为受热面采用全悬吊方式，钢架为双排柱钢结构。其布置特点为：采用全膜式水冷壁、单炉膛，炉内布置受热面、汽冷式旋风分离器，结构简单，运行可靠。再热汽系统由低温再热器和屏式再热器及两级减温、烟气挡板调节组成。从汽轮机高压缸作完功的蒸汽进入尾部竖井前烟道低温再热器进口集箱，流经低温再热器，由低再出口集箱引出，从锅炉两侧连接管引至炉前屏式再热器进口集箱，向上冷却屏式再热器后，合格的再热蒸汽从炉膛上部屏式再热器出口集箱两侧引至汽轮机中压缸继续做功。
2.2、试验方法
用ZEISSObserverA1m金相显微镜研究低温再热器管段的微观组织，用FM－700型数显维氏硬度计研究了低温再热器管段的力学性能。整个检测过程无灰尘、振动、强磁场。
2.3、试验结果与原因分析
2.3.1、宏观形貌分析
2019年某月，该机组水压试验时出现泄漏，检查发现低再管与鳍片焊接处出现裂纹，该管段材质为12Cr1MoV钢，规格为准70mm×5mm。运行参数为450℃，3．7MPa。
2.3.2、金相分析
在管段轴向位置制取金相试样，经磨制、抛光、浸蚀后在光学显微镜下观察显微组织。裂纹始于焊接热影响区，未分叉，且在厚度方向上完全开裂。在裂纹起始位置有较厚氧化皮。焊焊缝处有魏氏组织，热影响区晶粒细小；母材的组织为铁素体＋珠光体，球化3．5级，中度球化。
2.3.3、硬度检测
在管段轴向位置的裂纹处取样，经磨制、抛光后在显微维氏硬度计上测量裂纹两侧的硬度分布，热影响区最高硬度为HV0．2273，母材硬度为HV0．2165，焊缝硬度高于母材硬度HV0．2100，测量结果如图1所示。
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图1裂纹两侧显微硬度分布
2.4、断裂综合原因
2.4.1、焊接质量
焊缝及热影响区硬度偏高（超过母材HV0．2100），可以判断角焊缝未经焊后热处理，根据DL/T869—2012《火力发电厂焊接技术规程》，壁厚小于8mm的12Cr1MoV钢管可以不进行焊后热处理。焊缝及热影响硬度略微偏高，这就导致该处成为焊缝的薄弱环节，在受到外加载荷下，该处不易变形，会产生较大的应力集中。
2.4.2、应力
低再管通过鳍片焊死在管屏上，无法自由移动。在炉子的启停、调峰过程中产生的热应力以及管屏振动引起的附加载荷都会通过鳍片直接作用在管段上。由于鳍片热影响区硬度较高，是焊缝的薄弱环节，容易形成应力集中，就会在此处首先发生开裂。启－停炉过程中裂纹不断拓展，在水压试验时，其剩余壁厚无法满足承载要求，发生泄漏。
2.5、焊接修复
采用机械方式消除焊缝裂纹。消除前在裂纹两端钻止裂孔，防止在打磨过程中裂纹进一步扩展，打磨后应进行表面无损检测，确认缺陷消除完毕。修复焊接工艺和热处理方案满足有关规程要求，并严格执行。经检测，对补焊处磁粉探伤，未见缺陷磁痕显示；对接焊缝超声波探伤，未见可记录缺陷反射信号，完成本次修复工作。(1)焊前预热：预热温度200～300℃并采用远红外测温仪校核坡口的实际温度。(2)焊机、焊材：选用ZX7-400型逆变焊机。焊丝用TIG-Ｒ31，规格为2.5mm；焊条用E5515B2V，规格为3.2mm。焊条使用前按说明书要求进行烘烤，焊条重复烘烤不得超过2次，使用时装入100～150℃的专用保温筒内，随用随取。焊丝使用前清除锈垢和油污，直至露出金属光泽。(3)坡口处理：对坡口进行表面无损检测，确认坡口裂纹完全消除。将坡口表面及内外壁10～15mm处的油、漆、铁锈、垢等杂物清理干净，直至露出金属光泽。(4)焊接方法：采用钨级氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面(WS/DS)。钨极氩弧焊打底的根层焊缝检查后，及时进行次层焊缝的焊接，以防产生裂纹。采用合适的焊接电流和小热输入。填充焊道的接头处应错开10～15mm。(5)焊后热处理：焊后进行回火处理，(730±5)℃，恒温1.5h。(6)焊后检验：焊接完成24h后进行磁粉及超声波无损检测。
总之，结构应力是低温再热器管失效的主要原因，炉子启停、调峰过程中产生的结构应力及管屏振动引起的附加载荷导致角焊缝在热影响区首先发生开裂，热影响区硬度偏高促进了开裂的形成。开裂处的氧化皮较厚，说明裂纹拓展过程持续了一定的时间。
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