武 鑫，王晨山，晏得才，周云飛，張洋洋，石華洲

(甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

水冷壁受熱面是工業(yè)和電站鍋爐的主要蒸發(fā)受熱面，水冷壁的主要作用是吸收爐內(nèi)輻射熱，將水加熱成飽和蒸汽，保護(hù)爐墻，簡(jiǎn)化爐墻結(jié)構(gòu)，減輕爐墻重量，使?fàn)t墻外表面溫度降低，吸收爐內(nèi)熱量，把煙氣冷卻到爐膛出口所允許的溫度，減輕爐內(nèi)結(jié)渣、防止?fàn)t膛出口結(jié)渣。 作為鍋爐的主要組成部分，水冷壁是鍋爐水循環(huán)回路中的基本部件，水冷壁的可靠性，直接影響電廠機(jī)組的安全有效運(yùn)行。

筆者重點(diǎn)對(duì)某電廠水冷壁受熱面的一次爆管事故進(jìn)行分析，得出焊接缺陷和長(zhǎng)期過(guò)熱可導(dǎo)致水冷壁爆管失效，提出水冷壁受熱面安全運(yùn)行的幾點(diǎn)建議，為防止日后同類問(wèn)題的出現(xiàn)提供參考及建議。

1 泄漏事故

2019 年12 月13 日，某電廠運(yùn)行檢查發(fā)現(xiàn)＃2 鍋爐水冷壁泄漏，12 月15 日進(jìn)入爐內(nèi)檢查，爆管位于＃2 鍋爐爐右側(cè)墻第7 螺旋管屏從下往上數(shù)第15 根管(＃8 吹灰器下方、標(biāo)高約31.5 m 處)，其上部的一根管吹破，下部七根管吹損減薄。 經(jīng)擴(kuò)大檢查，發(fā)現(xiàn)＃2爐＃3 角噴燃器附近水冷壁管排存在6 處爆口，機(jī)械切槽1 處，爐左墻17.5 m ＃2 吹灰器下方發(fā)生泄漏。水冷壁規(guī)格為?38×7.3 mm，材質(zhì)為15CrMoG。

2 號(hào)機(jī)組為35 萬(wàn)千瓦超臨界一次中間再熱氫冷燃煤機(jī)組，制造廠為哈爾濱鍋爐廠，型號(hào)為HG-1100/25.4-HM2，主蒸汽流量及再熱蒸汽流量為1 100 t/912.66 t，主蒸汽壓力及再熱蒸汽出口壓力為25.4 MPa/3.87 MPa，主蒸汽溫度及再熱蒸汽出口溫度為571 ℃/569 ℃，燃燒方式為四角切圓燃燒。

2 檢查與分析

2.1 爆口宏觀檢查

宏觀檢查爐右墻第7 螺旋管屏從下往上數(shù)第15根水冷壁管(以下簡(jiǎn)稱＃15 管)及附近管排發(fā)現(xiàn)，爆口位于＃15 管由爐后至爐前約8 m 處，爆口附近區(qū)域管壁表面顏色發(fā)黑，存在較厚的焦渣及氧化皮，與相鄰管子表面顏色存在差異，爆口及附近區(qū)域管子明顯脹粗變形。 爆口為縱向，長(zhǎng)度約44 mm，開口寬度約15 mm，爆口邊緣最薄處厚度約4 mm，爆口邊緣斷面粗糙不平整，存在多條與爆口方向平行的裂紋，從上述特征看，該爆口具有長(zhǎng)期過(guò)熱爆管特征，見圖1。

圖1 爆口宏觀形貌

＃15 管將其上部的＃16 管吹損至泄漏，泄漏孔洞直徑約4 mm，其下部＃8～＃14 管共7 根有不同程度的吹損減薄，見圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)爆口位置

宏觀檢查＃3 角噴燃器附近水冷壁管排爆管管樣向火側(cè)發(fā)現(xiàn)存在6 處爆口，機(jī)械切槽1 處，＃15 管宏觀檢查爆口有3 個(gè)，爆口編號(hào)為＃15-1、＃15-2、＃15-3，沿介質(zhì)流向方向測(cè)量爆口直徑分別約為3.0、4.5、2.0 mm；＃16 管爆口有2 個(gè)，爆口編號(hào)為＃16-1、＃16-2，沿介質(zhì)流向方向測(cè)量爆口直徑分別約為1.0、3.0 mm；＃17 管宏觀檢查爆口有1 個(gè)，爆口編號(hào)為＃17-1，直徑約為6.0 mm ；＃14 管距弧頂約70 mm 處發(fā)現(xiàn)機(jī)械切槽1 處，切槽編號(hào)為＃14-1，切槽長(zhǎng)度約為14.0 mm，寬度約為3.0 mm，深度約為1.5 mm。

對(duì)爆口宏觀形貌分析判斷，位于＃3 角噴燃器附近水冷壁管排爆管管樣上順介質(zhì)流向＃16 管前端對(duì)接焊口的一處開裂為原始泄漏點(diǎn)，其余6 處爆口漏點(diǎn)邊緣均存在明顯吹損減薄，漏點(diǎn)附近管子均未發(fā)現(xiàn)有明顯脹粗現(xiàn)象，＃15 管在起彎處有2 道焊縫，焊縫間距約50 mm，焊縫兩側(cè)管道對(duì)口偏斜，不符合DL/T 869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》[1]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

＃2 爐＃3 角水冷壁管樣上＃15 管和＃16 管在轉(zhuǎn)角部位分別焊接一段短管。 原始開裂點(diǎn)位于16 號(hào)管短管順介質(zhì)流向前端焊縫(焊縫a)。 對(duì)4 個(gè)焊縫進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)，＃16 管焊縫a 根部存在嚴(yán)重未焊透、錯(cuò)口及裂紋，見圖3、4。 未焊透深度約為4 mm，錯(cuò)口錯(cuò)邊量最大約為2 mm，裂紋深度約為5.3 mm。 裂紋由根部未焊透邊緣應(yīng)力集中部位產(chǎn)生，并由管子內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，最終貫穿焊縫造成泄漏。

圖3 錯(cuò)口、裂紋(宏觀)

圖4 裂紋(微觀)

＃16 管焊縫b 焊口對(duì)口彎折角度過(guò)大(約9°)，遠(yuǎn)大于DL/T 869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 焊縫根部存在嚴(yán)重未焊透、焊瘤及錯(cuò)邊現(xiàn)象，見圖5。

圖5 彎折度過(guò)大、焊瘤

＃14 管和＃15 管之間無(wú)鰭片，用鋼筋填充間隙后焊接在一起，見圖6；＃15 管和＃16 管之間間隙很小也未加鰭片，在填充鋼筋后將管子直接焊接在一起，見圖7。

圖6 ＃14 管和＃15 管之間

圖7 ＃15 管和＃16 管之間

2.2 爐左墻吹灰器附近水冷壁宏觀檢查

宏觀檢查爐左墻吹灰器下方水冷壁管，發(fā)現(xiàn)鰭片焊縫處開裂，裂紋由鰭片焊縫端頭分別向向火側(cè)和背火側(cè)兩側(cè)母材延伸，向火側(cè)裂紋長(zhǎng)度為15 mm，背火側(cè)裂紋長(zhǎng)度為19 mm，鰭片寬度為14 mm，裂紋總長(zhǎng)度為48 mm，經(jīng)解剖后發(fā)現(xiàn)裂紋在管子內(nèi)部已經(jīng)貫穿，管子內(nèi)弧面裂紋長(zhǎng)度為5 mm，開裂泄漏點(diǎn)附近管子未見明顯脹粗。

2.3 爆口部位尺寸測(cè)量

用游標(biāo)卡尺對(duì)右墻第7 螺旋管屏從下往上數(shù)第15 根水冷壁爆口邊緣進(jìn)行厚度檢測(cè)，測(cè)量3 次，分別是4.5、4.0、5.1 mm，最薄處厚度為4.0 mm，對(duì)爆口寬度和長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，爆口中心寬度為15 mm，爆口中心長(zhǎng)度為44 mm。

2.4 爆管及相鄰管子脹粗測(cè)量

分別對(duì)右墻第7 螺旋管屏從下往上數(shù)第15 根水冷壁管爆口附近＃15 管(爆管)、＃14 管、＃13 管、＃12管、＃11 管、＃10 管、＃9 管測(cè)量?jī)?nèi)徑，結(jié)果見下表1。 測(cè)量結(jié)果顯示，＃15 管爆口附近脹粗較明顯，其余水冷壁管脹粗并不明顯。

表1 爆管管排直徑/mm

續(xù)表1 爆管管排直徑/mm

2.5 爐左墻吹灰器附近水冷壁管磁粉檢測(cè)

對(duì)吹灰器下方水冷壁管鰭片裂紋周圍進(jìn)行磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)向火側(cè)存在約50 mm×30 mm 的區(qū)域密集型微裂紋，見圖8，背火側(cè)存在約38 mm×15 mm 的區(qū)域密集型微裂紋，裂紋與管子軸向大致垂直，裂紋之間呈互相平行的叢狀，在主裂紋裂紋源附近略呈輻射狀，從裂紋的形貌上看，帶有熱疲勞裂紋的特征不符合NB/T47013.4-2015[2]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖8 向火側(cè)裂紋

2.6 材質(zhì)分析

(1) 爆口附近材質(zhì)分析

對(duì)＃15 管(15CrMoG)爆口附近向火側(cè)及背火側(cè)采用臺(tái)式光譜儀進(jìn)行材質(zhì)成分分析，分析結(jié)果見表2。

表2 水冷壁爆口附近成分分析/%

光譜分析結(jié)果表明爆口向火側(cè)材料C 含量為0.1%，低于GB/T 5310-2017[3]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(0.12%～0.18%)，爆管向火側(cè)材料中其他化學(xué)元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，背火側(cè)材料化學(xué)元素含量均符合GB/T 5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，造成此現(xiàn)象的原因?yàn)橄蚧饌?cè)管壁長(zhǎng)期超溫造成表面脫碳。

(2) 噴燃器附近材質(zhì)分析

對(duì)＃3 角噴燃器附近靠爐后側(cè)＃15 管(15CrMoG)向火側(cè)及背火側(cè)采用臺(tái)式光譜儀進(jìn)行材質(zhì)成分分析，分析結(jié)果見下表3。

表3 水冷壁噴燃器附近成分分析/%

光譜分析結(jié)果表明噴燃器附近＃15 管向火側(cè)及背火側(cè)化學(xué)元素含量均符合GB/T 5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

(3) 吹灰器附近材質(zhì)分析

對(duì)爐左墻17.5 m ＃2 吹灰器下方水冷壁管(15CrMoG)及鰭片采用便攜式光譜儀進(jìn)行材質(zhì)成分分析，分析結(jié)果見下表4 所列。

表4 爐左墻水冷壁吹灰器附近成分分析/%

光譜分析結(jié)果表明爐左墻17.5 m ＃2 吹灰器下方水冷壁管及鰭片化學(xué)元素含量均符合GB/T 5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.7 硬度檢測(cè)

(1) 爆口附近硬度

對(duì)＃15 管爆口向火側(cè)和背火側(cè)及爆口縱向同一橫截面的＃16 管、＃14 管、＃13 管、＃12 管向火側(cè)母材采用便攜式里氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，分析結(jié)果見表5所列。

表5 爆口附近受熱面管硬度/HB

試驗(yàn)結(jié)果表明＃15 管背火側(cè)和＃16 管向火側(cè)母材硬度值均低于DL/T438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，＃15 管向火側(cè)母材高于DL/T438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。 ＃15 管向火側(cè)母材硬度偏高，原因估計(jì)是超溫爆管后因介質(zhì)的急速冷卻而局部發(fā)生淬火現(xiàn)象造成的。

(2) 噴燃器附近管樣硬度測(cè)試

對(duì)＃2 爐＃3 角噴燃器附近水冷壁管排爆管管樣表面采用便攜式里氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度測(cè)點(diǎn)部位為＃3 角噴燃器附近＃15 管相鄰兩條焊縫和母材及＃16 管開裂焊縫和母材(注:沿介質(zhì)流向第1 條焊縫為a 焊縫，沿介質(zhì)流向第2 條焊縫為b 焊縫)，分析結(jié)果見表6 所列。

表6 噴燃器附近受熱面管硬度/HB

試驗(yàn)結(jié)果表明＃3 角噴燃器附近＃15 管和＃16 管管樣母材硬度測(cè)試值均低于DL/T438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，有必要在相鄰部位直管段取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以驗(yàn)證材料強(qiáng)度。

2.8 力學(xué)檢測(cè)

對(duì)＃15 管爆口前直管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，分析結(jié)果見表7 所列。

表7 ＃15 管爆口前直管力學(xué)性能結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明＃15 管爆口前直管向火側(cè)抗拉強(qiáng)度高于GB/T 5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，斷后伸長(zhǎng)率(縱向)低于GB/T 5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。 ＃15 管爆口前直管背火側(cè)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率(縱向)符合GB/T 5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

2.9 爆口附近金相組織分析

(1) 檢測(cè)部位說(shuō)明

對(duì)＃15 管爆口附近向火側(cè)、背火側(cè)分別取金相試樣各一塊，＃16 管向火側(cè)母材取金相試樣一塊，組織見圖9～11。

圖9 ＃15 管爆口向火側(cè)微裂紋100×

(2) 顯微組織結(jié)果分析

＃15 管爆口向火側(cè)母材金相組織中珠光體形態(tài)已完全消失，金相組織為鐵素體和貝氏體，存在大量蠕變孔洞及蠕變微裂紋，且存在超溫爆管后介質(zhì)急速冷卻造成的淬火組織。 ＃15 管爆管背火側(cè)和＃16 管向火側(cè)金相組織均為鐵素體和珠光體，＃15 管爆管背火側(cè)組織未發(fā)現(xiàn)明顯老化跡象，＃16 管向火側(cè)金相組織中珠光體有輕度分散，在晶界處出現(xiàn)部分細(xì)碎的不完全重結(jié)晶組織，說(shuō)明爆管泄漏后有短時(shí)超溫現(xiàn)象。

圖10 ＃15 管爆口背火側(cè)母材組織500×

圖11 ＃16 管向火側(cè)母 材組織500×

2.10 噴燃器附近管樣金相組織

(1) 檢測(cè)部位說(shuō)明

對(duì)2＃爐噴燃器附近＃15 管上1 條焊縫和＃16 管上1 條焊縫和進(jìn)行金相取樣，沿介質(zhì)流向方向焊縫為＃15 管a 焊縫，＃16 管沿介質(zhì)流向方向焊縫為＃16 管a焊縫，金相組織分別見圖12～15。

圖12 ＃15 管a 焊縫附近向火側(cè)母材500×

圖13 ＃15 管a 焊縫向火側(cè)焊縫200×

圖14 ＃16 管a 焊縫附近向火側(cè)母材500×

圖15 ＃16 管a 焊縫向火側(cè)焊縫200×

(2)顯微組織結(jié)果分析

從金相組織上看＃15 管和＃16 管焊縫均為貝氏體組織，未見明顯老化；母材組織均為鐵素體加珠光體組織，珠光體球化1.5 級(jí)。

3 結(jié) 語(yǔ)

文中對(duì)某電廠鍋爐水冷壁受熱面管泄漏事故進(jìn)行失效分析，通過(guò)多種檢測(cè)手段得出的失效原因如下。

(1) ＃2 爐＃3 角水冷壁管爆管的主要原因是第16 根管在轉(zhuǎn)角部位短管焊縫宏觀焊接缺陷，由于焊縫存在嚴(yán)重未焊透和錯(cuò)口，造成焊縫承載截面減小和根部應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致焊縫開裂并吹損相鄰管子引起爆管泄漏。

(2) ＃2 鍋爐爐右側(cè)墻第7 螺旋管屏由下往上數(shù)第15 根水冷壁爆管的主要原因是管子長(zhǎng)期過(guò)熱導(dǎo)致的蠕變損傷，造成長(zhǎng)期過(guò)熱的原因主要是焊接缺陷或管內(nèi)異物造成管子通流截面減小，介質(zhì)流速降低，管壁超溫。 15 號(hào)管在＃3 角噴燃器附近短管焊縫內(nèi)部錯(cuò)口、根部凸出、焊縫兩側(cè)管道對(duì)口偏斜等焊接缺陷均可能造成其通流面積減小和管壁長(zhǎng)期超溫。 另外，15號(hào)管在＃3 角燃燒器附近出現(xiàn)3 處吹損泄漏也會(huì)造成介質(zhì)損失，使管壁超溫加劇[5]。

(3) 吹灰器附近鰭片處管子開裂是由于吹灰器附近水冷壁管承受較大交變熱應(yīng)力，在其影響下應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生熱疲勞裂紋，裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，最終貫穿管壁造成泄漏。

針對(duì)得出的失效原因，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)建議。

(1) 建議進(jìn)一步排查和消除引起15 號(hào)管超溫的原因，并對(duì)此次搶修中15 號(hào)管未更換部分及16 號(hào)管加強(qiáng)監(jiān)督檢查，擇機(jī)割管取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，了解材料強(qiáng)度變化情況，必要時(shí)及時(shí)進(jìn)行更換。

(2) 擴(kuò)大檢查吹灰器附近密封板與鰭片及水冷壁管連接部位，特別是應(yīng)力集中部位及溫度急劇變化區(qū)域，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采取必要的防護(hù)措施防止管壁溫度大幅波動(dòng)。

(3) 利用檢修擴(kuò)大檢查，徹底查找和消除焊接缺陷，防止因焊接及對(duì)口缺陷造成的管子通流截面減小和應(yīng)力集中開裂。

(4) 加強(qiáng)運(yùn)行管理，防止超溫超壓運(yùn)行。

(5) 規(guī)范檢修工藝，嚴(yán)格把好檢修質(zhì)量關(guān)。 對(duì)于存在磨損、腐蝕、劃傷、變形、鼓包、氧化及表面裂紋等異常情況的受熱面管子，應(yīng)做好記錄和跟蹤檢查，情況嚴(yán)重的應(yīng)及時(shí)更換。