電站鍋爐水冷壁折焰角爆管原因分析

柯 浩 孫 濤 徐雪霞王 勇 歐陽杰 孫 澎 河北省電力公司電力科學研究院

華能上安電廠1號爐為亞臨界自然循環(huán)爐,型號為HG-1025/18.2-YM3,一次中間再熱；采用雙拱型爐膛,“W”火焰燃燒,尾部雙煙道,平衡通風,固態(tài)排渣。

1號爐于1990年8月12日投入運行,累計運行時間約為16萬h。

2012年6月10日，運行人員發(fā)現(xiàn)1號爐聲納報警異常，檢修人員檢查后懷疑水冷壁發(fā)生泄漏，因聲音不大，未停爐堅持運行。7月18日，爐膛負壓大幅波動，水位不能維持，采取停爐。停爐后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)水冷壁折焰角部位有兩處爆口，爆口位于同一根水冷壁管，吹灰器IR32東數(shù)第14根管，具體位置如圖1所示。

該水冷壁為內(nèi)螺紋管，材質(zhì)為SA210A，規(guī)格57×7mm，2012年1月大修時曾進行酸洗。

圖1 爆口位置示意圖

1 爆口宏觀分析

爆口A位于水冷壁向火側(cè)，管子內(nèi)弧面，爆口縱向15mm，環(huán)向7mm，爆口邊緣內(nèi)壁存在二次裂紋；爆口A周圍外表面有明顯的汽水沖刷痕跡，以爆口A為中心的外表面周圍結(jié)焦嚴重，其他位置管子上無明顯結(jié)焦；管子內(nèi)壁無明顯氧化皮，但附近存在少量點蝕坑。爆口A附近管子無明顯減薄，脹粗，除爆口位置存在向外的突出鼓包外，其他位置無變形。爆口A照片見圖2，橫截面和管子內(nèi)壁見圖3、圖4。

圖2 爆口A外表面

圖3 爆口A橫截面

圖4 爆口A內(nèi)表面

爆口B位于水冷壁向火側(cè)，彎頭背弧，沿管子縱向開裂破斷，爆口窄長，爆口縱向撕開100mm，環(huán)向張開35mm；爆口表面粗糙，邊緣管壁有所減薄但不嚴重，外表面周圍存在微裂紋，內(nèi)壁氧化皮未見明顯增厚，除爆口位置外，附近管子未見明顯脹粗見圖5。

圖5 爆口B

2 試驗分析

對該水冷壁爆管進行化學成分分析，金相分析、力學性能檢驗，取樣位置見表1：

表1 樣品位置

2.1 化學成分

使用3460直讀光譜儀對管子進行化學成分分析，符合標準ASME對SA210A的要求。

2.2 金相組織

使用OLYMPUS-GX71金相顯微鏡對爆管進行金相分析，侵蝕劑為4%硝酸酒精。從金相組織看，在爆口A邊緣（鼓包位置）組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化4.5級，珠光體形態(tài)完全消失，晶界及鐵素體基體上的球狀碳化物已逐漸聚集長大，見圖6。離開鼓包位置均為正常的鐵素體+珠光體組織，珠光體球化2～3級，在鼓包區(qū)域邊緣存在過渡區(qū)域組織，見圖7。在爆口A邊緣內(nèi)表面存在氧化皮，厚度0.05mm，與爆口A邊緣組織老化相對應(yīng)，爆口邊緣碳化物析出，未見脫碳現(xiàn)象，見圖8。其他位置均為正常的鐵素體+珠光體組織，珠光體球化2～3級。

在爆口A、B之間，靠近爆口A的JX2向火側(cè)外表面組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化3.5級，珠光體區(qū)域中的碳化物已明顯分散，并向晶界聚集，珠光體形態(tài)尚保留，見圖9。JX2內(nèi)表面還存在腐蝕坑，深度0.6mm。

爆口B邊緣組織為相變組織，管壁溫度超過Ac1，爆管后噴射出來的汽水快速冷卻而得到的貝氏體，見圖10。爆口B橫截面的背火側(cè)組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化3級，珠光體區(qū)域中的碳化物已明顯分散，并向晶界聚集，珠光體形態(tài)尚保留，見圖11。

遠離爆口B的JX4組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化2級，珠光體形態(tài)明顯，珠光體區(qū)域中的碳化物開始分散，其他試樣的背火側(cè)組織基本與該組織相同，珠光體球化2級，未見明顯老化。

圖6 JX1爆口A邊緣

圖7 JX1鼓包過渡區(qū)域組織

圖8 JX1爆口A邊緣氧化皮

圖9 JX2向火側(cè)外表面

圖10 JX3爆口B附近

圖11 JX3背火側(cè)

2.3 力學性能檢驗

使用CMT5205電子萬能試驗機對管材進行拉伸試驗，試驗結(jié)果見表2，試驗結(jié)果均符合ASME對SA210A要求。但從強度結(jié)果可以看出，在爆口A、B之間，靠近爆口A的管材LX1的向火側(cè)強度較背火側(cè)偏低，在爆口B附近管材LX2的向火側(cè)強度較背火側(cè)偏高。

3 分析與討論

1）從運行情況和爆口A的宏觀形貌可以看出，在6月10日聲納報警異常，應(yīng)是爆口A發(fā)生泄漏，但由于漏點不大，未對鍋爐造成直接影響，鍋爐堅持運行。從爆口A金相分析結(jié)果可以看出，爆口A附近組織嚴重老化，但僅是鼓包區(qū)域，離開鼓包位置的組織正常，說明鼓包具有長時過熱的特征。爆口A邊緣碳化物析出球化，沒有脫碳現(xiàn)象，排除了氫鼓包的可能，因此爆口A應(yīng)是局部過熱鼓包造成的爆管。

表2 力學性能結(jié)果

2）水冷壁在彎管、整形時，使用局部加熱方式，會在彎管位置出現(xiàn)輕微鼓包，或者是呈直線排列的鼓包。這種鼓包當時的組織和強度不會出現(xiàn)老化和降低，但由于鼓包存在，工質(zhì)在流動中無法對鼓包處的金屬產(chǎn)生良好的冷卻作用，還可能使鼓包位置的工質(zhì)汽化，影響傳熱，造成鼓包處的金屬壁溫較高，導致鼓包處的組織發(fā)生老化，強度逐漸降低，是產(chǎn)生局部鼓包和過熱原因。

3）由于爆口A泄漏后，水冷壁中的工質(zhì)流量減少，對水冷壁的冷卻作用減小，導致爆口A以上管段發(fā)生過熱，管壁溫度偏高，特別是直接受火焰影響的折焰角部位，經(jīng)過39天的運行，7月18日發(fā)生爆管，爆口B位于彎頭背弧最薄弱處。從爆口B的形貌看，沒有產(chǎn)生氧化皮、樹皮紋等長時過熱特征，雖然爆口未明顯增大，邊緣壁厚未明顯減薄，應(yīng)是水冷壁管材料塑性不好造成；從爆口B邊緣的金相組織和力學性能可以看出，管壁溫度曾超過Ac1，爆管后噴射出來的汽水快速冷卻，得到的相變組織，爆口周圍管材的強度升高。從爆口A、B之間的管材金相組織和力學性能可以看出，管子向火側(cè)外表面組織老化，強度降低，存在過熱現(xiàn)象。因此爆口B具有短時過熱爆管特征。

4）從力學性能結(jié)果可以看出，未鼓包處的管子性能滿足要求，與金相結(jié)果相對應(yīng)。

5）在爆口和鼓包位置的內(nèi)表面，大部分管子無明顯氧化皮、結(jié)垢現(xiàn)象，但附近存在少量點蝕坑，應(yīng)該與腐蝕無關(guān)。

4 結(jié)論

綜上所述，華能上安電廠1號爐水冷壁折焰角部位發(fā)生泄漏的主要原因是水冷壁鼓包過熱，導致微小泄漏后，由于工質(zhì)減少，冷卻條件惡化，管壁溫度升高，造成水冷壁管過熱，管子強度降低，在彎頭背弧最薄弱處發(fā)生爆管。

鼓包的原因可能是在制造時產(chǎn)生，不排除管內(nèi)存在雜質(zhì)堵塞，致使管材輕度超溫，或在鼓包處由于介質(zhì)傳熱不良導致局部嚴重超溫，組織老化，強度降低，發(fā)生過熱爆管。

2013－08－21）