陳 浩，張 濤，田 峰，譚曉蒙，孫云飛

（內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020）

1 設(shè)備概況及事故經(jīng)過

某300 MW 火力發(fā)電機組鍋爐為亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐，單爐膛緊身封閉Π型布置，燃用煙煤，一次再熱，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)，爐頂帶金屬防雨罩。燃燒室采用全焊接的膜式水冷壁，以保證燃燒室的嚴密性，鰭片寬度適應(yīng)變壓運行的工況。

2021-07-17，對鍋爐進行水壓試驗時壁式再熱器鋼管發(fā)生開裂泄漏，廠內(nèi)檢修人員對泄漏部分及時進行了更換處理。泄漏的壁式再熱器鋼管直徑為50 mm，厚4.0 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG。

2 理化檢驗

2.1 宏觀檢驗

對開裂泄漏的壁式再熱器鋼管進行宏觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)鋼管向火側(cè)存在一條貫穿整個管壁的橫向裂紋，長度約10 mm。鋼管泄漏部位管壁略微脹粗，部分腐蝕產(chǎn)物已脫落，呈黑褐色，并存在多條與主裂紋平行的深淺不一的微裂紋；鋼管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物為紅褐色，呈片層狀，且發(fā)生不同程度的脫落，裂紋附近區(qū)域呈藍黑色，如圖1所示。

圖1 開裂泄漏的壁式再熱器鋼管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked and leaking steel tube of wall reheater

2.2 金相分析

對開裂泄漏的壁式再熱器鋼管取樣進行顯微組織檢測，鋼管泄漏部位有一條貫穿整個管壁的主裂紋，其附近鋼管內(nèi)外壁存在眾多深淺不一、尖端圓鈍的微裂紋，內(nèi)部已經(jīng)氧化，最大深度約0.8 mm，且微裂紋尖端存在大量的晶界氧化裂紋。泄漏點附近母材組織為塊狀的鐵素體+大量的粒狀碳化物，球化等級為5.0級（屬于嚴重球化），組織未見明顯畸變，鋼管內(nèi)壁氧化皮厚度約為418 μm；距離裂口350 mm處鋼管母材組織為鐵素體+貝氏體，未見明顯球化，屬于正常狀態(tài)下的鋼管顯微組織，如圖2所示。

圖2 開裂泄漏的壁式再熱器鋼管各部位微觀組織形貌Fig.2 Microstructure of cracked and leaking steel tube of wall reheater

2.3 化學(xué)成分分析

從開裂泄漏的壁式再熱器鋼管取樣進行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1。檢測結(jié)果表明，壁式再熱器鋼管化學(xué)成分中各元素質(zhì)量分數(shù)均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG的要求。

表1 開裂泄漏的壁式再熱器鋼管化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)Tab.1 Test results of chemical composition mass fraction of cracked and leaking wall reheater steel tube %

2.4 力學(xué)性能分析

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》要求，利用CMT5305 電子萬能試驗機對送檢的壁式再熱器鋼管未嚴重腐蝕部位取樣進行拉伸性能測試，結(jié)果見表2。檢測結(jié)果表明，壁式再熱器鋼管的屈服強度、抗拉強度及斷口伸長率等各項拉伸性能指標均符合標準GB/T 5310—2017的要求。

表2 壁式再熱器鋼管常溫力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.2 Test results of normal temperature mechanical performance of wall reheater steel tube

2.5 腐蝕產(chǎn)物形貌與能譜分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對壁式再熱器鋼管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物微觀形貌進行檢測，結(jié)果如圖3 所示?？梢钥闯觯€棒表面腐蝕產(chǎn)物較致密，呈片層狀，并伴有大量微小顆粒。

圖3 壁式再熱器鋼管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物SEM形貌Fig.3 SEM morphology of corrosion products on the inner wall of steel tube of wall reheater

利用能譜分析儀（EDS）對壁式再熱器鋼管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物進行成分分析，檢測結(jié)果見圖4。結(jié)果表明，壁式再熱器內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要為鐵和氧元素，未見其他元素，應(yīng)為鐵的氧化物。

圖4 壁式再熱器鋼管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物EDS分析譜圖Fig.4 EDS analysis spectrum of corrosion products on the inner wall of steel tube of wall reheater

3 故障原因分析

爆漏的壁式再熱器鋼管化學(xué)成分符合設(shè)計材質(zhì)的要求，排除了因材質(zhì)錯用導(dǎo)致的爆管。從爆漏的壁式再熱器宏觀及微觀分析結(jié)果可知，鋼管泄漏部位內(nèi)壁腐蝕結(jié)垢嚴重，內(nèi)外壁均存在多條與主裂紋平行、深淺不一的微裂紋，與腐蝕性熱疲勞開裂的特征相符[5-9]。此外，鋼管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，判斷為氧腐蝕所致，并與停爐保護或鍋爐水質(zhì)有關(guān)。

綜上分析，由于鍋爐水質(zhì)或其他原因，導(dǎo)致鋼管內(nèi)壁不斷發(fā)生氧腐蝕，形成大量微小的腐蝕凹坑；由于泄漏區(qū)域鋼管內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象較為嚴重，造成該區(qū)域換熱能力嚴重下降，使其長期超溫運行并發(fā)生嚴重球化。另外，結(jié)垢區(qū)域與未結(jié)垢區(qū)域換熱能力存在較大差異，在鍋爐啟停及調(diào)峰過程中鋼管因溫度場分布不均形成較大交變熱應(yīng)力，同時受疊加鍋爐內(nèi)煙氣溫度分布不均勻的影響，逐漸在鋼管內(nèi)外壁產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷擴展直至貫穿整個管壁，最終造成壁式再熱器鋼管泄漏[10-15]。

圖5 壁式再熱器鋼管內(nèi)壁熱疲勞裂紋產(chǎn)生過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of thermal fatigue crack generation process on inner wall of steel pipe of wall reheater

4 結(jié)論及建議

本次壁式再熱器鋼管開裂泄漏的主要原因為鍋爐停爐保護措施不當或水質(zhì)不良造成鋼管內(nèi)壁局部區(qū)域發(fā)生腐蝕結(jié)垢，嚴重影響了該區(qū)域的換熱能力，在鍋爐啟?；蜇摵纱蠓茸兓瘯r，結(jié)垢區(qū)域與未結(jié)垢區(qū)域的換熱能力不一致，在鋼管管壁形成較大的溫度差，導(dǎo)致再熱器鋼管在交變熱應(yīng)力的作用下發(fā)生熱疲勞開裂泄漏故障。

針對上述原因，提出以下建議：

（1）加強對壁式再熱器鋼管腐蝕結(jié)垢情況的監(jiān)督力度，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁腐蝕嚴重或垢層較厚的鋼管應(yīng)重點檢查內(nèi)外壁是否存在疲勞裂紋，存在異常應(yīng)及時處理。

（2）鍋爐停爐期間需做好停爐保養(yǎng)工作，并加強水質(zhì)處理及化驗的監(jiān)督工作，按要求定時排污，避免類似腐蝕疲勞失效事件再次發(fā)生。