劉景春，張艷紅

(1.神華國華綏中發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125222;2.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 鍋爐概況

某發(fā)電公司鍋爐為 HG－1793/26.15－YM1型。爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁，水冷壁管共1 584根，前后墻各396根，兩側(cè)墻各396根。在上下爐膛之間裝設(shè)一圈中間混合集箱以消除下爐膛工質(zhì)吸熱與溫度偏差。水冷壁管材質(zhì)為15CrMoG，規(guī)格為Φ28 mm×6.4 mm，水冷壁設(shè)計(jì)壓力為32.2 MPa，工作壓力為30.0 MPa，鍋爐給水溫度為291℃。

2012年7月B側(cè)前數(shù)第B216、B127號(hào)管在標(biāo)高約45 m處泄漏，B125、B128號(hào)管表面有裂紋，但未裂透。至泄漏之日水冷壁管累計(jì)運(yùn)行約10 000 h。

2 試驗(yàn)分析

2.1 爆口宏觀特征檢驗(yàn)

4根管主裂紋處沿長度方向向內(nèi)明顯彎曲變形(見圖1)。4根管在漏點(diǎn)附近向火側(cè)表面均存在橫向裂紋，B側(cè)前數(shù)第B126、B127號(hào)管主裂紋已穿透壁厚 (見圖2)，B側(cè)前數(shù)第B125、B128號(hào)管主裂紋尚未穿透壁厚 (見圖3)。將B127號(hào)管在向火側(cè)沿軸向 (垂直表面裂紋方向)剖開，可見裂紋均在外壁上，并由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展 (見圖4)。

爆口附近及爆口下方約300 mm處管徑脹粗率測試結(jié)果如表1所示，裂紋附近管徑脹粗率為4.6%～5.7%，爆口下方約300 mm處管徑脹粗率為2.5%～3.6%。

4根水冷壁管裂紋宏觀形貌特征均屬于熱疲勞開裂［1］，同時(shí)伴有明顯的管徑脹粗及過熱特征。

表1 管徑脹粗率測試結(jié)果

2.2 化學(xué)成分分析

對B125號(hào)水冷壁管背火側(cè)進(jìn)行化學(xué)成分分析，試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T4336—2002，儀器型號(hào)為DV－6。其化學(xué)元素含量符合GB5310—2008 15CrMoG鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 水冷壁管元素含量 %

2.3 金相檢驗(yàn)

在B127號(hào)管主裂紋處垂直于表面裂紋方向取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，向火側(cè)裂紋起源于外表面 (見圖5)，屬于熱疲勞裂紋。向火側(cè)基體組織及背火側(cè)金相組織均為塊狀鐵素體加珠光體，球化不明顯(見圖6、圖7)。

在B127號(hào)管爆口下方約300 mm處 (外表面無裂紋)取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，向火側(cè)近外壁及中部金相組織為鐵素體、貝氏體加相變珠光體 (見圖8、圖9)，向火側(cè)近內(nèi)壁金相組織為鐵素體加貝氏體 (見圖10)，背火側(cè)金相組織為鐵素體加貝氏體 (見圖11)。向火側(cè)近外壁金相組織屬于不完全相變組織，表明該處向火側(cè)管壁溫度曾超過720℃(15CrMoG鋼相變開始溫度)。

主裂紋處金相組織為塊狀鐵素體加珠光體，球化不明顯，為15CrMoG鋼的正火組織狀態(tài)。而距主裂紋約300 mm處向火側(cè)近外壁 (外表面無裂紋)已經(jīng)發(fā)生相變，表明該處壁溫超過720℃，主裂紋處壁溫應(yīng)該更高，主裂紋處的正火組織形態(tài)應(yīng)視為完全正火相變組織，主裂紋處管壁溫度高達(dá)900℃ (15CrMoG鋼正火溫度)。金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，該水冷壁管壁溫曾高達(dá)720～900℃，有短時(shí)過熱特征［2］。

3 爆管原因分析

水冷壁管的材質(zhì)15CrMoG鋼是世界各國廣泛采用的低合金鉻鉬鋼，該鋼具有良好的工藝性能、焊接性能及較高的熱強(qiáng)性能。在500～550℃工作溫度下長期運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生珠光體球化、合金元素從鐵素體向碳化物中轉(zhuǎn)移并發(fā)生碳化物類型轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度和熱強(qiáng)性能降低。當(dāng)工作溫度超過550℃時(shí)，抗氧化性能變差，熱強(qiáng)性能顯著下降。該鋼廣泛應(yīng)用于制造蒸汽參數(shù)為510℃的高、中壓鍋爐蒸汽管道、集箱及壁溫為540℃以下的過熱器管及水冷壁管。

按照GB5310要求，15CrMoG成品鋼管的供貨狀態(tài)應(yīng)為正火加回火。正火溫度為930～960℃，回火溫度為680～720℃。其正常的組織狀態(tài)為塊狀鐵素體加珠光體或塊狀鐵素體加貝氏體。

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，水冷壁管各元素含量均符合15CrMoG標(biāo)準(zhǔn)要求。4根水冷壁管失效機(jī)理均屬于熱疲勞開裂，同時(shí)伴有短時(shí)過熱特征，爆口附近向火側(cè)壁溫曾高達(dá)720～900℃。

在正常工況下水冷壁管的工作環(huán)境為管內(nèi)介質(zhì)溫度290～500℃，壓力30.0 MPa，管子外壁 (向火側(cè))爐膛煙溫高于1 000℃，水冷壁管向火側(cè)壁溫通常高于管內(nèi)介質(zhì)溫度的30～50℃，即水冷壁管壁溫應(yīng)≤540℃。15CrMoG鋼在540℃以下可以長期運(yùn)行。

在異常工況下，如某個(gè)水冷壁管有異物堵塞導(dǎo)致介質(zhì)流速緩慢，管壁溫度不能被介質(zhì)及時(shí)冷卻，壁溫將不斷升高(超過550℃)，從而引發(fā)過熱爆管，過熱爆管特征為管徑脹粗明顯，沿管子縱向有爆口。

本次失效的4根水冷壁管雖都有短時(shí)過熱特征，但主裂紋是橫向裂紋，開裂機(jī)理屬于熱疲勞，引發(fā)熱疲勞開裂是由于水冷壁管溫度忽高忽低、頻繁變化所致。導(dǎo)致水冷壁管溫度不穩(wěn)定的主要因素是管內(nèi)介質(zhì)流速不穩(wěn)定，在某一時(shí)期(某一低負(fù)荷階段)介質(zhì)流速較低，管壁超溫，可高達(dá)700～900℃，而在另一時(shí)期(正常負(fù)荷階段)介質(zhì)流速正常，管壁溫度迅速恢復(fù)正常(約530℃)。管壁溫度由700～900℃迅速降至530℃，該溫差產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過水冷壁管材在高溫下的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在外表面(由于外壁溫度最高，其抗拉強(qiáng)度最低)形成橫向裂紋，此過程不斷循環(huán)重復(fù)，裂紋不斷擴(kuò)展，最終引發(fā)熱疲勞開裂。

本次失效的4根水冷壁管 (B125～B128)來自于同一根節(jié)流孔管 (一分二，二分四)。該節(jié)流孔管所處的位置及其結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致上述4根水冷壁管介質(zhì)流速不穩(wěn)定的主要原因。

4 結(jié)束語

該發(fā)電公司4根水冷壁管失效機(jī)理均屬于熱疲勞開裂，同時(shí)伴有短時(shí)過熱特征，爆口附近向火側(cè)壁溫曾高達(dá)720～900℃。引發(fā)熱疲勞及過熱失效的主要原因應(yīng)從供給4根水冷壁管介質(zhì)的節(jié)流孔管結(jié)構(gòu)及其在聯(lián)箱上所處的位置查找原因。

［1］吳非文.火力發(fā)電廠高溫金屬運(yùn)行［M］.北京:水力電力出版社，1979.

［2］王 偉，盤榮旋，竇 洪，等.某超超臨界鍋爐水冷壁管爆管事故分析［C］.第九屆電站金屬材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.360－364.