董 鵬，陳 明，王文濤，王濤英

（華電電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

某電廠鍋爐為超高壓參數(shù)、四角切圓燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐，單爐膛Π型布置，一次再熱。最大連續(xù)蒸發(fā)量670t/h，過(guò)熱蒸汽出口壓力和溫度為13.7MPa和540℃。鍋爐在大修中更換了部分水冷壁管，運(yùn)行四個(gè)月后，更換過(guò)的一根水冷壁管爆破泄漏。泄漏位置位于燃燒器上方約1.3m處。水冷壁管材質(zhì)為20G，規(guī)格為?60×6.5mm。

1 管樣檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌觀察

泄漏管爆口位于向火側(cè)，處于管子中間，爆裂部分與基體完全脫離，呈窗口狀，爆口邊緣粗鈍，管壁無(wú)明顯減薄，管徑無(wú)明顯脹粗（如圖1所示），呈現(xiàn)典型的脆性爆口特征。泄漏管內(nèi)壁存在約0.3mm至0.6mm的黑色垢物，爆口附近的已剝落，向火側(cè)較為粗糙，存在淺的條形凹槽和宏觀裂紋，背火側(cè)較為光滑無(wú)腐蝕。

圖1 爆管宏觀形貌Fig.1 Macro examination of failed tube

1.2 化學(xué)成分檢測(cè)

對(duì)泄漏管進(jìn)行化學(xué)成分定量分析，結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，泄漏管的各元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Chemical composition testing

1.3 力學(xué)性能檢測(cè)

在泄漏管爆口附近的向火側(cè)和背火側(cè)各取兩個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，向火側(cè)的強(qiáng)度和塑性明顯低于背火側(cè)。向火側(cè)與背火側(cè)相較，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均降低約15%，斷后伸長(zhǎng)率降低48%，且向火側(cè)的斷后伸長(zhǎng)率已低于標(biāo)準(zhǔn)值要求。

表2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Mechanical property testing

1.4 金相分析

將爆口處橫向切斷，在向火側(cè)與背火側(cè)的處分別取樣，觀察裂紋形貌與金相組織形態(tài)。如圖2～圖4所示。

由圖2可見(jiàn)，向火側(cè)截面存在大量裂紋，主裂紋在內(nèi)壁萌生，向外壁擴(kuò)展，但還未貫穿至外壁。主裂紋被大量小裂紋包圍，但小裂紋非主裂紋的次生裂紋，兩者之間未連接。有裂紋直接在管壁基體內(nèi)生成，而未從管壁表面萌生。

圖2 向火側(cè)橫截面（未腐蝕）50×Fig.2 Cross section of the fire side(before etching)

圖3 向火側(cè)組織Fig.3 Microstructure of the fire side

圖4 背火側(cè)組織Fig.4 Microstructure of the back side

將圖2所示部位用侵蝕劑侵蝕，如圖3所示?？梢砸?jiàn)到，裂紋均為沿晶型，部分晶粒間形成空洞，且無(wú)宏觀裂紋的地方也有部分晶界開(kāi)裂。裂紋周圍珠光體組織大量減少甚至消失，是典型的珠光體脫碳現(xiàn)象。

背火側(cè)組織為珠光體加鐵素體，珠光體球化級(jí)別為1.5級(jí)，未發(fā)現(xiàn)裂紋、脫碳和其他異常組織，如圖4所示。

2 原因分析及機(jī)理探討

以上檢驗(yàn)結(jié)果：“窗口”型脆性宏觀爆口，向火側(cè)管子的強(qiáng)度低于背火側(cè)且其塑性（斷后延伸率）較背火側(cè)大幅降低，向火側(cè)基體存在大量晶間裂紋并匯聚成宏觀裂紋，晶間裂紋非由管壁表面萌生，裂紋附近珠光體明顯脫碳，背火側(cè)基體組織無(wú)異常等，均符合水冷壁氫損傷特征。[1]

正常的情況下，水冷壁會(huì)在酸洗鈍化或與合格爐水反應(yīng)后，在內(nèi)壁生成一層致密的不溶性氧化膜，以保護(hù)不被腐蝕。若是新的水冷壁管，內(nèi)壁還未生成保護(hù)性氧化膜，在遇到異常情況時(shí)，就可能會(huì)受到腐蝕或損傷。如爐水PH值較低，呈酸性的情況時(shí)，氫離子可以和未形成致密氧化膜的管壁直接接觸，生成鐵垢和氫氣，如式（1），鐵垢會(huì)在管壁上沉積。此時(shí)的氫是以氫氣的狀態(tài)存在，不會(huì)向管基體中擴(kuò)散。在已生成保護(hù)性氧化膜的舊管中，短時(shí)間內(nèi)酸性爐水不會(huì)對(duì)管子造成此種腐蝕。又如，在高溫條件下，水與鐵直接接觸可以生成Fe3O4和原子態(tài)氫，如式（2）。當(dāng)此反應(yīng)發(fā)生在水冷壁管中，情況正常時(shí)原子態(tài)氫會(huì)被爐水帶走，但若有阻隔，原子態(tài)氫會(huì)擴(kuò)散進(jìn)管子基體中，與滲碳體生成甲烷，如式（3）。

甲烷在生成的過(guò)程中會(huì)將碳原子奪走，致使周圍組織脫碳，強(qiáng)度下降。同時(shí)高濃度處的碳和氫通過(guò)擴(kuò)散不斷補(bǔ)充，反應(yīng)不斷進(jìn)行。甲烷生成后會(huì)聚集在晶界，隨反應(yīng)的進(jìn)行，晶界的CH4量越來(lái)越多，壓力也越來(lái)越高，使晶界裂開(kāi)形成裂紋，塑、韌性下降。如此反復(fù)，直至管子無(wú)法承受內(nèi)部壓力而爆漏[2-5]。

大修后至泄漏前，四個(gè)月的運(yùn)行期中，爐水pH值異常，最低至7.4，呈酸性環(huán)境。此段時(shí)間內(nèi)，因爆漏的管是新管，還未生成完整的致密性氧化膜，所以會(huì)發(fā)生如式（1）的反應(yīng)，生成的鐵垢在管內(nèi)壁上沉積，生成的氫因以氣體的形式存在，不會(huì)向管基體中擴(kuò)散。同時(shí)，管子爆漏位置處于燃燒器上方約1.3m處，是高熱負(fù)荷區(qū)域，向火側(cè)溫度高。因泄漏管內(nèi)壁無(wú)氧化膜的分隔，所以在向火側(cè)發(fā)生如式（2）的反應(yīng)，出現(xiàn)原子態(tài)氫。由于管內(nèi)壁表面沉積物的阻礙，原子態(tài)氫無(wú)法順利隨汽水混合物流走，在內(nèi)壁表面聚集，形成濃度梯度，向基體內(nèi)擴(kuò)散，與滲碳體生成甲烷如式（3）。隨反應(yīng)不斷進(jìn)行，管子基體中CH4聚集量不斷增加，晶間裂紋越來(lái)越多，當(dāng)無(wú)法承受管內(nèi)壓力時(shí)，發(fā)生脆性爆裂。背火側(cè)，由于管壁溫度較低，式（2）的反應(yīng)無(wú)條件進(jìn)行，式（3）的反應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，只發(fā)生了如式（1）的管壁腐蝕，所以除觀察到管子內(nèi)壁的沉積物，其他檢驗(yàn)項(xiàng)目均未發(fā)現(xiàn)異常。

3 結(jié)論及建議

（1）此根水冷壁管爆漏是由于氫損傷造成，而氫損傷是由于以下情況造成：首先爆漏管是新管，內(nèi)壁未生成致密的氧化保護(hù)膜，且一段時(shí)間內(nèi)爐水呈酸性，將管子腐蝕，生成的鐵垢在內(nèi)壁表面沉積。其次爆漏區(qū)域熱負(fù)荷高，新管在無(wú)氧化膜分隔的情況下，爐水與管壁直接接觸、反應(yīng)，生成原子態(tài)氫，原子態(tài)氫在沉積物的阻隔下無(wú)法順利隨汽水混合物流走，擴(kuò)散進(jìn)了管子基體中，與滲碳體生成甲烷，造成損傷。

（2）建議在水冷壁爆漏管同一區(qū)域取樣檢驗(yàn)，以排除管子，尤其是新管發(fā)生氫損傷的可能性。

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