中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院鍋爐事業(yè)部 趙加星 劉杰 劉濤 車(chē)暢

0 前言

據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，爐內(nèi)四小管（過(guò)熱器管、再熱器管、水冷壁管、省煤器管）的失效事故占鍋爐事故的2/3左右，其中水冷壁泄漏引發(fā)的事故占據(jù)較大比例。[1-4]

水冷壁的作用是將爐膛火焰的熱量傳遞給水冷壁管內(nèi)流動(dòng)的水或蒸汽，使水變成水蒸氣并使水蒸氣的參數(shù)進(jìn)一步提高，以達(dá)到所需要的介質(zhì)狀態(tài)。水冷壁管失效事故的發(fā)生不僅使設(shè)備檢修工作量和檢修費(fèi)用大大增加，而且嚴(yán)重影響了鍋爐機(jī)組的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至使設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞并造成人員傷亡事故。[5,6]

基于此，本文針對(duì)某電廠660MW中日合造超臨界電站鍋爐泄漏的水冷壁管并從宏觀檢查、金相組織、裂紋斷面形貌、裂紋形成原因等方面對(duì)泄漏原因進(jìn)行分析。

1 事故簡(jiǎn)述

某電廠1號(hào)超臨界鍋爐，型號(hào)DG2100/25.4-Ⅱ1，是由東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司與東方-日立鍋爐有限公司合作設(shè)計(jì)、聯(lián)合制造的660MW超臨界本生直流鍋爐，Π型，鍋爐參數(shù)：設(shè)計(jì)出口壓力25.4MPa，設(shè)計(jì)出口溫度571℃，最大連續(xù)蒸發(fā)量2101.78t/h，再熱蒸汽流量1760.85t/h。該鍋爐發(fā)生水冷壁管泄漏，泄漏位置為爐墻標(biāo)高44米、B5吹灰器附近的螺旋水冷壁管。泄漏的水冷壁管材質(zhì)為T(mén)2，規(guī)格為：Φ38.1×7.5mm；鰭片材質(zhì)為15CrMo。

2 結(jié)果分析

2.1 宏觀檢查

圖1所示為水冷壁泄漏位置。經(jīng)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，圖1中所示的B5吹灰器下方上數(shù)第2根（彎管）、第4根管子（直管）發(fā)生相互吹損泄漏，第3根管子局部吹損減薄。

圖1 水冷壁泄漏位置

經(jīng)割管檢查發(fā)現(xiàn)，圖1中所示的第4根管子上存在2條相距130mm且長(zhǎng)約45mm的橫向貫穿裂紋，裂紋處均有明顯的泄漏吹損痕跡，如圖2a所示。

仔細(xì)觀察圖2a，裂紋1位于管子向火面，其附近存在許多橫向表面裂紋。裂紋2于向火面的裂紋張口較之背火面的大，且存在兩條擴(kuò)展裂紋，如圖2b和圖2c所示。圖2所示為裂紋1和裂紋2的位置及形貌。同時(shí)經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，泄漏管及其附近管子沒(méi)有脹粗現(xiàn)象。

圖2 裂紋1和裂紋2的位置及形貌

2.2 金相組織

圖3和圖4所示分別為試樣取樣位置和裂紋形貌及其附近金相組織。分析圖4并結(jié)合材質(zhì)可以確定，水冷壁管子基體的金相組織為：鐵素體+珠光體。仔細(xì)觀察圖4，還可以發(fā)現(xiàn)，裂紋由管外表面向內(nèi)并主要以穿晶的方式擴(kuò)展延伸。

圖3 裂紋1附近取樣示意圖

圖4 裂紋形貌及其附近金相組織200×

圖5所示為水冷壁管子與其鰭片之間焊縫的金相組織。從圖5中可以看出，焊縫和熱影響區(qū)的金相組織為粒狀貝氏體。同時(shí)熱影響區(qū)的組織比焊縫中的細(xì)小。另外對(duì)管子（T2）和鰭片的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，結(jié)果符合設(shè)計(jì)材質(zhì)要求。

圖5 水冷壁管子與其鰭片之間焊縫的金相組織50×

2.3 裂紋斷面形貌

沿管子縱向?qū)⒘鸭y1斷面剖開(kāi)，經(jīng)清洗后觀察斷面，如圖6所示。結(jié)合圖4，從圖6中的斷面色澤和斷裂紋路可判定，裂紋首先起源于向火側(cè)管子外表面，并逐步向內(nèi)發(fā)展，直至貫穿，造成泄漏。圖6所示為裂紋1的斷面形貌。

圖6 裂紋1斷面形貌

在圖3所示裂紋1附近的橫向裂紋區(qū)域（向火側(cè)）取樣，并對(duì)橫向裂紋的橫斷面進(jìn)行制樣。圖7為橫向裂紋的橫斷面形貌，可以看出管子向火側(cè)外表面橫向裂紋較多、深淺不一，但大多在2mm以內(nèi)。裂紋表面開(kāi)口較大，向管子內(nèi)延伸成倒三角形形態(tài)。裂紋內(nèi)部充滿著氧化腐蝕產(chǎn)物。管子外表面由于焊接有鰭片，凹凸不平，但所有裂紋均垂直于表面向管子基體內(nèi)部延伸。裂紋與鰭片焊縫之間的相互位置沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7 橫向裂紋的橫斷面形貌

2.4 裂紋形成原因

通過(guò)對(duì)以上裂紋形態(tài)特征的分析可知，向火側(cè)外表面橫向裂紋的形成與鰭片焊接沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，裂紋是在機(jī)組投運(yùn)以后產(chǎn)生的。橫向裂紋的形成與向火側(cè)管子表面曾經(jīng)受過(guò)或大或小的表面張應(yīng)力有關(guān)。

裂紋管子鄰近的B5吹灰器，應(yīng)該為劇烈的溫度變化引起的表面應(yīng)力提供了助力，而與受熱面局部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力沒(méi)有直接關(guān)系。該機(jī)組運(yùn)行期間，B5吹灰器曾經(jīng)存在故障，可能將濕冷蒸汽吹向鄰近管子向火側(cè)，使管子表面產(chǎn)生劇烈的溫度變化，進(jìn)而形成表面橫向裂紋。盡管爐膛內(nèi)煙溫很高，使得管子表面應(yīng)力亦很高，但向管子金屬基體內(nèi)部應(yīng)力梯度較大，應(yīng)力急劇降低，所以裂紋相對(duì)較淺。

由于管子表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的吹灰器吹損痕跡，所以，B5吹灰器泄漏出來(lái)的濕冷蒸汽并不具備很高的壓力，可能是非吹灰工作狀態(tài)下濕冷蒸汽泄漏造成的。

2.5 水冷壁管泄漏原因

圖8所示為鰭片溝槽與裂紋的位置圖。裂紋1位置爐外部分，其鰭片上間隔開(kāi)有橫向溝槽，溝槽深度約為鰭片寬度的2/3。貫穿裂紋鄰近的鰭片溝槽開(kāi)的較深，或處于斷開(kāi)狀態(tài)。

由圖2a可見(jiàn)，裂紋2附近管子間距離較近，其下方還有第3根管子，管子間只有很窄的鰭片，由于相互吹損嚴(yán)重，已經(jīng)觀察不到鰭片，也可能裂紋2處于鰭片斷開(kāi)處。

因B5吹灰器周?chē)噜彽?根管子都存在彎曲管段，第4根開(kāi)始為直管段，故運(yùn)行期間B5吹灰器鄰近的彎管形成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，將會(huì)集中于第4根直管段的相鄰部分。而鰭片上開(kāi)槽或斷開(kāi)區(qū)域使得應(yīng)力會(huì)集中于管子外表面處，進(jìn)而促使管子外表面橫向裂紋進(jìn)一步向內(nèi)表面發(fā)展，最終導(dǎo)致貫穿泄漏。

圖8 鰭片溝槽與裂紋的位置圖

3 結(jié)論

該中日合造超臨界電站鍋爐的吹灰器存在故障，將濕冷蒸汽吹向鄰近的水冷壁管，使水冷壁管表面溫度出現(xiàn)劇烈變化，進(jìn)而形成表面橫向裂紋。同時(shí)吹灰器附近的水冷壁管子的結(jié)構(gòu)差異形成的應(yīng)力使得裂紋進(jìn)一步發(fā)展，最終導(dǎo)致水冷壁管泄漏。基于此，建議對(duì)吹灰器及其周?chē)茏舆M(jìn)行全面檢查，消除吹灰器故障，并對(duì)受損管段進(jìn)行更換處理。