田 澤，余建飛，熊 宇，葉建鋒

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077）

某電廠水冷壁管氫致應(yīng)力腐蝕泄漏原因分析

田 澤1，余建飛1，熊 宇2，葉建鋒1

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077）

某電廠一臺超臨界鍋爐水冷壁管在檢修中發(fā)現(xiàn)3處穿透裂紋，裂紋位于水冷壁管排安裝拼接焊縫附近。水冷壁管常見泄漏原因包括超溫、腐蝕減薄和磨損減薄等。通過DR、金相和電鏡等方法分析了該水冷壁管的開裂原因，發(fā)現(xiàn)氫致應(yīng)力腐蝕是管壁泄漏的原因，氫致應(yīng)力腐蝕使材料在沒有發(fā)生明顯變形減薄的情況下發(fā)生低應(yīng)力脆性開裂，開裂前無征兆，危害很大。

水冷壁管；泄漏；應(yīng)力腐蝕；氫腐蝕；超臨界鍋爐

0 引言

某電廠一臺鍋爐由北京巴布科克·威爾科克斯有限公司設(shè)計制造的型號為B&WB-1900/25.4-M的超臨界鍋爐，該鍋爐為W火焰燃燒方式、垂直爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置的Π型鍋爐。整個爐膛由下部垂直水冷壁和上部垂直水冷壁構(gòu)成，上下水冷壁均采用膜式全焊接結(jié)構(gòu)，由鋼管和扁鋼制成。上爐膛深度9 350 mm，下爐膛深度16 550 mm，爐膛寬度31 813 mm，總高54 126 mm。下爐膛水冷壁全部采用了材質(zhì)為SA213T12的優(yōu)化多頭內(nèi)螺紋管，管子規(guī)格為Φ35 mm×6 mm。水冷壁管排在2015年4月19日發(fā)生一起泄漏事故。2017年4月20日，電廠工作人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，水冷壁管排波浪扭曲變形嚴(yán)重，局部區(qū)域管段出列明顯，在標(biāo)高41 m處前墻水冷壁中間區(qū)域、鍋爐安裝時管排拼接焊縫上方附近有3處管子裂紋。水冷壁管開裂泄漏原因通常有短時超溫[1]和長期超溫[2]、腐蝕減薄[3]和磨損減薄[4]等。本文通過宏觀檢查、DR、金相檢查和電子顯微鏡等方法，詳細(xì)分析了該鍋爐水冷壁泄漏的原因。

1 泄漏原因分析

1.1 宏觀檢查結(jié)果及分析

對該廠的3根水冷壁管樣進(jìn)行宏觀檢查，如圖1所示，水冷壁管向火面無明顯腐蝕減薄和磨損減薄，從西向東第310根管表面有修補(bǔ)焊縫1處，存在明顯彎曲變形；從西向東第328根水冷壁管向火面有穿透性裂紋，裂紋附近無鼓包、皸裂現(xiàn)象和明顯的塑性變形。

圖1 管樣宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the pipe sample

水冷壁管發(fā)生腐蝕減薄泄漏時，管壁將產(chǎn)生大量的腐蝕產(chǎn)物，如果該處煙氣流速較快，該處可能無腐蝕產(chǎn)物聚集殘留，但管壁會發(fā)生明顯減薄，當(dāng)管壁厚度小于理論最小壁厚時，發(fā)生爆管泄漏。發(fā)生腐蝕減薄泄漏時，泄漏點(diǎn)的剩余壁厚會明顯小于正常的壁厚，該水冷壁管開裂處的壁厚和其它位置的基本一致，可以排除由于腐蝕減薄導(dǎo)致的管壁泄漏。

水冷壁管發(fā)生磨損減薄泄漏時，泄漏點(diǎn)處煙氣流速大、煙氣流向正對管壁或者接近正對，煙氣對管壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷，導(dǎo)致該處管壁的減薄速率遠(yuǎn)高于其它區(qū)域，當(dāng)管壁厚度小于理論最小壁厚時，發(fā)生爆管泄漏。發(fā)生磨損減薄泄漏時，泄漏點(diǎn)的剩余壁厚會明顯小于公稱壁厚，而該水冷壁管開裂處的壁厚和其它位置的基本一致，可以排除由于磨損減薄導(dǎo)致的水冷壁泄漏。

水冷壁管發(fā)生短時超溫時，水冷壁管短時間內(nèi)在遠(yuǎn)高于許用溫度下運(yùn)行，材料的屈服強(qiáng)度迅速下降，當(dāng)材料的屈服強(qiáng)度小于該處介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)力時，管壁產(chǎn)生鼓包并發(fā)生顯著減薄，最后管壁破裂。短時超溫爆管爆口呈“唇形”，爆口處壁厚明顯減薄，爆口處材料老化級別明顯高于其它未超溫管段，而該處水冷壁管無明顯老化、鼓包和減薄現(xiàn)象，因此排除由于短時超溫減薄導(dǎo)致的水冷壁泄漏。

水冷壁管發(fā)生長期超溫時，水冷壁管在略高于材料許用溫度下長時間運(yùn)行，材料的屈服強(qiáng)度短時間內(nèi)不發(fā)生明顯變化，但材料的老化速度加快，在未達(dá)到材料設(shè)計使用壽命時，材料的老化程度超標(biāo)，材料高溫屈服強(qiáng)度降低，材料從表面開始產(chǎn)生蠕變裂紋，即“皸裂”現(xiàn)象。發(fā)生長期超溫爆管泄漏時，泄漏點(diǎn)有明顯皸裂現(xiàn)象，超溫管段材料均勻球化，超出標(biāo)準(zhǔn)要求。而該處水冷壁管無皸裂和球化超標(biāo)現(xiàn)象，因此排除由于長期超溫導(dǎo)致的水冷壁泄漏。

2 DR檢查結(jié)果及分析

對管樣進(jìn)行DR檢查，如圖2和圖3所示，DR檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)管樣內(nèi)壁存在大量裂紋，管1共發(fā)現(xiàn)裂紋4條，裂紋沿水冷壁管內(nèi)螺紋的旋轉(zhuǎn)方向。管2為宏觀檢查有明顯彎曲變形的管子，共發(fā)現(xiàn)橫向裂紋5條，裂紋之間方向基本平行；沿內(nèi)螺紋的旋轉(zhuǎn)方向裂紋2條。管3為彎管，發(fā)現(xiàn)裂紋4條，裂紋方向沿內(nèi)螺紋的旋轉(zhuǎn)方向。

3根管樣均發(fā)現(xiàn)螺旋裂紋，裂紋規(guī)則排列，說明管壁受到宏觀拉應(yīng)力或存在沿螺旋方向的應(yīng)力集中。管樣2發(fā)現(xiàn)的橫向裂紋位于管壁內(nèi)螺紋之間，橫向裂紋兩端或者一端有沿螺旋線方向的裂紋，而其它有螺旋裂紋的地方并無橫向裂紋，這說明橫向裂紋是螺旋裂紋在軸向拉應(yīng)力作用下改變擴(kuò)展方向形成的。管樣2較大的彎曲變形證明水冷壁管存在較大的軸向應(yīng)力。

圖2 直管樣DR檢測結(jié)果Fig.2 DR test results of the straight pipe sample

圖3 彎管樣DR檢查結(jié)果Fig.3 DR test results of the bend pipe sample

為進(jìn)一步確認(rèn)裂紋的形態(tài)和擴(kuò)展方向，將水冷壁管沿鰭片根部的軸線方向剖開。在長度50 mm的管樣上，發(fā)現(xiàn)1處大裂紋和1處小裂紋，如圖4(a)所示，對比DR檢查結(jié)果，DR未發(fā)現(xiàn)小裂紋。這說明DR檢查結(jié)果存在一定量的漏檢量，水冷壁管實(shí)際裂紋數(shù)量要大于DR檢查的裂紋數(shù)量。螺旋裂紋在內(nèi)表面上，裂紋沿內(nèi)螺紋根部擴(kuò)展；橫截面方向上，裂紋沿徑向擴(kuò)展，裂紋深度約3.5 mm。裂紋沿內(nèi)螺紋根部擴(kuò)展原因如下，螺旋線方向雖然不是外加載荷最大的方向，但螺紋根部結(jié)構(gòu)突變，應(yīng)力集中系數(shù)大，應(yīng)力水平卻可能最高。另外，內(nèi)螺紋根部易集聚腐蝕介質(zhì)，產(chǎn)生腐蝕開裂。

圖4 管樣內(nèi)壁裂紋形貌Fig.4 Macro morphology of crack inside the pipe sample

沿軸線方向?qū)α鸭y試樣進(jìn)行切割，如圖4(a)所示。裂紋擴(kuò)展路徑如圖4(b)所示，從內(nèi)螺紋根部萌生，在內(nèi)表面沿螺旋線方向擴(kuò)展。在深度方向上，沿螺旋線方向開始，在軸向拉應(yīng)力作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)檠貜较驍U(kuò)展。

3 金相檢查結(jié)果及分析

取彎管和直管向火面進(jìn)行珠光體球化評級，如圖5所示。直管向火面珠光體球化級別為3級，彎管向火面珠光體球化級別為3級，滿足DL/T 787－2001《火力發(fā)電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)》要求。

圖5 管樣珠光體球化級別Fig.5 Spheroidization of pearlite of the pipe sample

為進(jìn)一步觀察裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展機(jī)理，采用大倍數(shù)顯微鏡觀察，裂紋尖端前沿尖銳，裂紋尖端區(qū)域有孔洞，孔洞的腐蝕程度不同，有腐蝕產(chǎn)物孔洞如圖6（a）所示，無腐蝕產(chǎn)物孔洞如圖6（b）所示。與裂紋同一截面的其它位置存在尺寸不同的圓形孔洞，如圖7所示，大孔洞尺寸約為120 μm左右，孔洞內(nèi)未見腐蝕產(chǎn)物。

圖6 裂紋前端微觀形貌Fig.6 Micrograph morphology of crack tip

圖7 管樣基體微觀形貌Fig.7 Micrograph morphology of pipe sample

在裂紋旁和裂紋尖端附近基體中存在大量圓形孔洞，圖8所示，孔洞成群分布，無腐蝕產(chǎn)物，孔洞和裂紋未接觸和貫通，這說明孔洞是在裂紋開裂前產(chǎn)生或兩者獨(dú)立產(chǎn)生。在裂紋尖端前沿和裂紋中部邊緣，普遍存在孔洞缺陷，有腐蝕產(chǎn)物的孔洞全部和主裂紋貫通，這說明水冷壁管孔洞缺陷、裂紋和腐蝕產(chǎn)物的時間順序應(yīng)為：先產(chǎn)生孔洞缺陷，孔洞缺陷在拉應(yīng)力的作用下作為裂紋源開裂或者為裂紋擴(kuò)展提供通道，孔洞開裂后與腐蝕介質(zhì)接觸產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物。主裂紋旁分支裂紋形貌如圖9所示，主裂紋側(cè)壁有多個孔洞缺陷，孔洞黑色區(qū)域無腐蝕產(chǎn)物，灰色區(qū)域?yàn)楦g產(chǎn)物，通過分支裂紋和主裂紋相貫通。開裂時間較長的腐蝕產(chǎn)物較多，開裂時間短的腐蝕產(chǎn)物少，這證明上述“孔洞-裂紋-腐蝕”的過程是合理的。

圖8 裂紋旁管樣基體孔洞缺陷形貌Fig.8 Macro morphology of pipe sample near the crack

圖9 分支裂紋微觀形貌Fig.9 Micrograph morphology of branch crack

用5%硝酸酒精侵蝕，電子顯微鏡下觀察，金相組織和裂紋形貌如圖10所示。主裂紋側(cè)壁存在大量分支裂紋，主裂紋側(cè)壁覆蓋一層腐蝕產(chǎn)物，如圖11所示。

圖10 主裂紋旁分支裂紋形貌Fig.10 Micrograph morphology of branch crack near the main crack

圖11 裂紋中部腐蝕產(chǎn)物Fig.11 Corrosion products in the middle of the crack

在主裂紋尖端，腐蝕產(chǎn)物未連續(xù)分布，如圖12所示，這是由于裂紋開裂時間較短，晶界沒有足夠時間形成連續(xù)的腐蝕產(chǎn)物。

圖12 主裂紋腐蝕產(chǎn)物Fig.12 Corrosion products of crack tip

氫腐蝕[5]多發(fā)生在爐膛熱負(fù)荷較高區(qū)域的水冷壁管向火面；氫腐蝕形成的氫損傷，斷口呈脆性斷裂，斷口平整，無明顯塑性變形；發(fā)生氫腐蝕部位溫度高，常伴有氧腐蝕；氫腐蝕部位鋼材內(nèi)表面有大量微裂紋并且裂紋表面附近的鋼材有脫碳現(xiàn)象；發(fā)生氫腐蝕部位向火面一般有溝槽等結(jié)構(gòu)。

高溫下的氫損傷[6]主要有氫脫碳和氫腐蝕，氫脫碳是指在高溫下，金屬表面接觸到氫氣的情況下，鋼表面的碳或者碳化物會與氣體中的氫發(fā)生反應(yīng)，鋼的表面發(fā)生脫碳現(xiàn)象。氫腐蝕是指在高溫高壓下，氫進(jìn)入到金屬的內(nèi)部，引起金屬組織發(fā)生變化導(dǎo)致金屬的力學(xué)性能下降。嚴(yán)格來講氫腐蝕應(yīng)該包括表面脫碳，但脫碳一般只發(fā)生在表面，氫腐蝕是氫滲透到金屬內(nèi)部破壞材料的性能，后果更嚴(yán)重。例如溶入鋼中的氫原子和碳發(fā)生如下反應(yīng)，生成甲烷：

生成的甲烷氣體在空穴中聚集形成鼓泡。如果晶界碳化物較多，則反應(yīng)主要發(fā)生在晶界上，對鋼材產(chǎn)生和晶間腐蝕一樣的作用。而且生成的甲烷氣體具有很高的壓力，能直接導(dǎo)致晶界微裂紋的形成。

氫壓理論[7]則認(rèn)為，原子氫性質(zhì)非?；顫?，在15CrMo鋼中會擴(kuò)散溶解于基體中，在溫度降低后，氫會在不均勻處結(jié)合成分子氫，從而產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力疊加外加應(yīng)力造成氫致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

綜上所述，結(jié)合金相、電鏡檢查發(fā)現(xiàn)的水冷壁管基體和裂紋附近存在很多密集孔洞缺陷，以及水冷壁管的運(yùn)行情況，可以判斷該水冷壁管泄漏原因?yàn)闅渲聭?yīng)力腐蝕開裂。

4 結(jié)論

（1）通過對開裂泄漏的水冷壁管樣品檢查分析，排除短期超溫、長期超溫、腐蝕減薄和磨損減薄等原因?qū)е麻_裂泄漏。從3根送樣的情況來看，該廠水冷壁管內(nèi)壁存在大量的裂紋，裂紋沿內(nèi)螺紋根部延伸，在局部管排變形嚴(yán)重處，較大的軸向應(yīng)力造成螺旋裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向裂紋。

（2）水冷壁管內(nèi)壁有黑色垢層，螺紋根部結(jié)垢較多，容易產(chǎn)生局部腐蝕環(huán)境。

（3）水冷壁管管壁高溫高壓下發(fā)生氫腐蝕，在管壁基體中生成氫氣孔或甲烷氣孔，在管壁中產(chǎn)生密集孔洞。密集的孔洞缺陷不僅破壞材料的連續(xù)性和降低承載能力，還會為裂紋提供擴(kuò)展通道，加快裂紋擴(kuò)展速度。

（4）發(fā)生氫腐蝕的同時，產(chǎn)生的氫氣或甲烷會造成巨大的拉應(yīng)力，和管壁外加應(yīng)力疊加，導(dǎo)致材料在無明顯塑性變形的情況下發(fā)生開裂。

（5）水冷壁管在運(yùn)行過程中，管壁內(nèi)螺紋根部應(yīng)力集中系數(shù)大，局部的高應(yīng)力水平更容易加快氫致應(yīng)力腐蝕的進(jìn)程。

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Analysis of Hydrogen-induced Stress Corrosion Leakage in Water Cooling Wall of a Power Plant

TIAN Ze1,YU Jianfei1,XIONG Yu2，YE Jianfeng1
（1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.Hubei Fangyuan Dongli Electric Power Science Research Limited Company,Wuhan Hubei 430077,China)

Three penetrating cracks are found in the water wall tubes of a power plant supercriti?cal boiler during maintenance,the crack is located near the water cooling wall tubes welding seam.The common leakage causes of water wall tube include overtemperature,corrosion reduction and wear reduction etc.In this paper,the reason of the leakage of the water cooling wall tube is found by means of DR,metallography,electron microscopy etc.The stress corrosion of hydrogen causes the material to occur low stress brittle cracking without obvious deformation and thinning.This form of cracking has no earlier signs and is very harmful.

water cooling wall tube;leakage;stress corrosion;hydrogen corrosion;supercritical boiler

TM621.2

A

1006-3986(2016)12-0033-05

10.19308/j.hep.2016.12.008

2016-11-09

田 澤（1985），男，山西長治人，碩士，工程師。