王刚，木拉地力·牙生
新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院新疆乌鲁木齐830011
摘要：为了找到某电厂锅炉高温过热器管泄漏的原因，对该高温过热器管进行了现场检查、对锅炉高温过热器管泄漏管段进行了宏观形貌观察、成分分析、力学性能测试及金相组织观察。分析结果表明，各管段理化性能均符合标准要求，该高温过热器管锅炉高温过热器管泄漏的原因为由于焊接部位存在应力集中，在循环载荷的影响下产生疲劳裂纹，最终引起管道开裂。电厂锅炉的很多部件在其制造、安装阶段均需焊接加工，存在着性能相对较弱的焊接接头。在经过长期的高温、高压运行后，焊接接头可能会出现断裂、磨损、疲劳、腐蚀等失效现象，从而导致锅炉高温过热器管泄漏等安全事故。某电厂锅炉高温过热器管共有145根，规格为Φ44.5×6.5mm，材料为15CrMo。该锅炉因高温过热器管发生锅炉高温过热器管泄漏而紧急停机、抢修。为了找到高温过热器管出现泄漏的原因，避免修复后的高温过热器再次出现泄漏，所以对锅炉高温过热器管泄漏原因进行了分析。
关键词：锅炉；高温过热器管；泄漏原因
引言
某电厂3号机组为300MW发电机组，锅炉为某锅炉厂设计制造的，单炉膛π型露天布置，全钢架悬吊结构，四角切圆，固态排渣，于2005年12月投运。其高温过热器管位于炉膛前上方，入口段材质为12Cr1MoV和15CrMo，出口段材质为SA213-T91，规格为51mm×6mm。负责横向定位的冷却定位管材质为TP347H（规格51mm×7.5mm）。定位管由材质为ZGCr20Ni14Si2的三角形定位块焊接固定，厚度为8mm。2019年11月，机组在负荷为197MW条件下运行时，高温过热器管发生泄漏，机组解列后，现场对锅炉高温过热器管泄漏位置进行检查并发现，高温过热器管存在多处漏点。如图1所示。为保障机组安全运行，对锅炉高温过热器管泄漏管段进行割管取样，并对泄漏原因进行分析。
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图1泄漏管段现场情况
1.试验过程
1.1宏观检查
如图2所示，取样管段共4根，包括2根材质为12Cr1MoV的高温过热器管和相邻的2根冷却定位管。
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图2泄漏管段与漏点宏观形貌
部分管段表面有大量轻微的凹坑；除3#管上的其中一处漏点之外，其余漏点均呈明显的吹损减薄特征。3#管段内壁光滑，未见腐蚀、凹坑、划痕等缺陷，且无氧化皮脱落痕迹。漏点3-A位于定位块焊缝下边缘处沿环向开裂，周围没有发生明显的塑性变形，该处裂纹长约10mm。定位块两侧纵向焊缝均已吹损减薄，未发现裂纹。由此判断，本次事故的锅炉高温过热器管泄漏顺序为3#管的漏点A首先发生锅炉高温过热器管泄漏，随后吹损到附近管段，在多个管段间反吹后，产生多个过热器管泄漏点。同时，烟气中携带的颗粒导致附近管道外表面产生凹坑。
1.2化学成分分析
管段取样的化学成分均满足GB/T5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》对相应钢种的要求。
1.3力学性能分析
室温拉伸试验采用弧形拉伸试样；布氏硬度试验在金相检验面上进行。各管段的室温拉伸性能和硬度值均满足相关标准要求。
1.4断口分析
对首断口取样进行扫描电镜微观观察，断口宏观上较为平齐，没有明显的塑性变形，近外表面侧可见明显的弧线状扩展特征，扩展区占断口总面积的2/3。断口表面氧化严重，微观上难以观察到其原始特征。断面氧化产物中含有少量的Al、Si、P、S、K、Ca等元素。
1.5显微组织检验
1#、2#管的显微组织均为奥氏体；3#、4#管的显微组织均为铁素体+珠光体，珠光体球化级别为3级。管段金相组织均未见明显异常，内壁均未发现微裂纹。3#管段取样的内壁氧化皮厚度约为34μm。
2.试验结果
对锅炉高温过热器管各泄漏管段的宏观检查发现，首断口附近无明显塑性变形，管径未发生涨粗，不具备短时过热或长时过热特征。尽管高温过热器受炉膛火焰直接辐射，热负荷比较高，但调阅停机前高温过热器壁温运行曲线，显示管壁测点温度范围为420~466℃，低于壁温报警值486℃，未发生管壁超温情况。根据各项理化检验结果可知，取样管段的化学成分、拉伸性能及布氏硬度均符合标准要求，显微组织无明显异常，且未见明显的腐蚀特征，由此表明取样管的开裂失效与材质不合格、材质老化及腐蚀问题无关。若内壁氧化皮质地疏松、产生微裂纹，在锅炉运行过程中容易被高温冲刷脱落，造成堵管超温而引起爆管，但金相检验结果表明各管段内壁氧化皮与基体结合紧密，厚度较薄，且首爆口所在3#试样的珠光体球化级别为3级，进一步说明管段失效与氧化皮脱落问题及显微组织老化无关。将主裂纹打开后进行断口观察发现，裂纹是由外壁侧启裂向内壁侧扩展，断口表面已明显氧化。裂纹扩展区面积较大，可见疲劳弧线特征，瞬断区较小，表明首断口的断裂类型为疲劳断裂。首断口的裂纹源位于高温过热器管与定位块的焊趾处，该部位应力集中程度较高，且可能存在一定的焊接残余应力。
综上所述，管道与定位块两端部焊趾处为应力集中位置，局部应力相对较高，是裂纹产生的敏感部位。在长时间运行过程中，由于管道温度波动、汽水振动及结构应力等循环载荷应力的作用下，导致该位置产生了疲劳裂纹的萌生和扩展，最终贯穿管壁而发生锅炉高温过热器管泄漏。
结语
锅炉高温过热器管泄漏管段焊趾处的应力集中程度较高，在锅炉运行过程中，管段温度波动、汽水振动及结构应力等循环载荷应力令该部位产生了疲劳裂纹的萌生与扩展，因此母管与固定块端部焊接位置优先开裂，最终引起管道破裂，之后溢出的高压夹带飞灰对其余管段造成了吹损并破裂。建议严格控制锅炉启停速率，降低管段温度波动等引起的管段热应力过高；提高母管与固定块焊接的外观质量，避免出现咬边、焊瘤、未熔合等可能引起应力集中的宏观焊接缺陷，并圆滑过渡，降低母管与固定块端部焊缝应力集中程度；对具有相同结构的焊缝扩大检查，对存在焊接外观成形不良及发现裂纹的管段及早修复处理。
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