徐 亮,龔 巍,王洪濤, 董欣宇,閆興泉

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150046)

0 引 言

電站鍋爐的水冷壁通常布置于爐膛四周,其既能吸收爐膛中煤粉燃燒時的輻射熱量,使火焰溫度降低,又可以保護(hù)爐墻不致被燒壞。水冷壁管普遍采用薄壁小口徑管,在車間生產(chǎn)和現(xiàn)場安裝過程中存在大量的對接焊縫,焊縫焊接質(zhì)量的優(yōu)劣將會直接影響水冷壁的冷卻效果,進(jìn)而影響鍋爐機(jī)組的安全運行。近年來,火力發(fā)電廠水冷壁小口徑管對接焊縫發(fā)生大面積裂紋的事件頻繁發(fā)生,有的是在安裝后無損檢測時發(fā)現(xiàn),有的是在機(jī)組安裝完成后整體水壓時發(fā)現(xiàn),但大部分是在機(jī)組運行過程中發(fā)生水冷壁管泄漏時才發(fā)現(xiàn)[1-3]。水冷壁管對接焊縫發(fā)生泄露,不僅影響鍋爐的正常運行,給業(yè)主帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失,同時也大大增加機(jī)組的運維成本[4-5]。因此,通過對某電廠660 MW超超臨界鍋爐水冷壁焊接裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行深入分析,并提出預(yù)防措施,以減少同類事故的發(fā)生。

1 事件過程

某電廠投運時間不到3個月,水冷壁管發(fā)生泄漏,停爐后對爐內(nèi)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)水冷壁前墻2號角-鍋爐中心線,標(biāo)高47.45 m工地焊口爐內(nèi)側(cè)存在多處平行于管口的橫向裂紋,其中8處在焊口與母材融合線上方,39處在焊口與母材融合線下方。泄漏管的材質(zhì)為15CrMoG,規(guī)格為φ28.6×5.8 mm。

2 試驗項目

對泄漏的前墻水冷壁管取樣進(jìn)行宏觀檢查和理化試驗分析,取樣的管子為前墻水冷壁從左向右第328～331根,4根管的材質(zhì)和規(guī)格均相同,管子現(xiàn)場形貌如圖1所示,取樣的位置如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場水冷壁裂紋

圖2 送檢樣管

2.1 宏觀檢查

觀察樣管整體宏觀形貌可知,樣管存在較為嚴(yán)重的整體彎折變形現(xiàn)象,彎折角度約20°,彎折起始點為管屏左端環(huán)狀焊縫附近。樣管向火側(cè)外表面有灰白色覆蓋物,向火面未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)焦現(xiàn)象, 樣管直管段區(qū)域的外徑未見脹粗。其中第329～331根管子對接環(huán)縫附近處,在焊縫根部熔合線區(qū)域的向火面和背火面均發(fā)現(xiàn)明顯的環(huán)狀裂紋,而第328根管子焊縫附近未發(fā)現(xiàn)肉眼可見開裂。管屏側(cè)面照片及裂紋處局部如圖3所示。

圖3 送檢管屏宏觀形貌

圖4 1號試樣金相組織形貌

圖5 2號試樣金相組織形貌

圖6 5號試樣各位置顯微組織

2.2 化學(xué)分析

在第328(無裂紋)和329(有裂紋)根管上分別取1號和2號圓環(huán)試樣,采用OBLFQSN750型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。結(jié)果顯示:樣管母材的化學(xué)成分含量均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規(guī)定。

表1 送檢樣品化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3 拉伸試驗

在第328和329根管的背火面上分別取3號和4號縱向條狀拉伸試樣,采用型號為WDW-300E的電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗,結(jié)果見表2。試驗結(jié)果表明,樣管的拉伸性能符合GB/T 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)對15CrMoG材料的規(guī)定。

表2 送檢樣管室溫拉伸檢測結(jié)果

2.4 硬度檢測

在第328和329根管上取1號和2號圓環(huán)硬度試樣,采用THVS-50維氏硬度計進(jìn)行硬度檢測。在第329根管的向火面,取帶有兩側(cè)母材和焊縫的5號縱剖面試樣進(jìn)行硬度檢測。硬度檢測結(jié)果見表3。

表3 送檢樣管維氏硬度檢測結(jié)果

試驗結(jié)果表明:送檢樣管母材的硬度值符合GB/T 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)對15CrMoG的規(guī)定,對接焊縫的硬度值滿足DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)范》要求。

2.5 金相組織分析

在第328和329根管上分別取1號、2號圓環(huán)試樣和5號縱向試樣(向火面),對試樣磨制、拋光和腐蝕(4%硝酸酒精)后,在Axiovert200MAT顯微鏡下對3個試樣進(jìn)行微觀金相檢測,結(jié)果見表4。試驗結(jié)果表明:樣管母材的金相組織和晶粒度符合GB/T 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)對15CrMoG材料的規(guī)定。樣管焊縫金相組織符合材質(zhì)特征, 在焊縫中未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷或焊接不允許存在的組織。

表4 送檢樣管金相檢測結(jié)果

3 綜合分析

3.1 母材影響

通過對有裂紋和無裂紋管取樣進(jìn)行理化檢測,可知其理化性能均符合GB/T 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)對15CrMoG材料的規(guī)定。同時從裂紋微觀形貌可知,主裂紋位于熔合線處,由此說明送檢樣管焊縫熔合線處裂紋的產(chǎn)生與管子母材無關(guān)。

3.2 焊縫焊接工藝影響

焊縫的金相和硬度檢測結(jié)果表明,樣管的焊縫硬度滿足DL/T 869—2021標(biāo)準(zhǔn)要求,樣管焊縫金相組織符合材質(zhì)特征,且在焊接接頭中未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷或焊接不允許存在的組織,同時送檢試樣上的主裂紋位于焊接熔合線處,由此說明熔合線處裂紋的產(chǎn)生與該焊縫的焊接工藝無關(guān)。

3.3 運行溫度影響

通過硬度和金相檢測結(jié)果可知,有裂紋和無裂紋樣管上其各自的向火面和背火面的硬度值接近,金相組織和晶粒度相同,說明兩根管子向火面和背火面的溫度相差不大。同時管子的向火面和背火面的金相組織,既沒有發(fā)生相變也未發(fā)生組織老化。由此說明送檢樣管在運行時未發(fā)生過熱。

3.4 裂紋原因分析

由于焊縫區(qū)的金屬受熱發(fā)生膨脹,而焊縫周圍相對冷的金屬會阻礙膨脹,使焊縫受熱區(qū)金屬受到壓縮應(yīng)力,由此可推斷,出現(xiàn)裂紋區(qū)域的管屏在管子長度方向膨脹受阻,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力無法釋放,導(dǎo)致該管屏發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形。通過觀察樣管整體宏觀形貌,也可發(fā)現(xiàn)4根樣管的對接焊縫位置變形最為嚴(yán)重。

就對接焊接接頭而言:焊縫有焊縫余高的加強(qiáng);管子母材不受焊接時的熱輸入影響,組織均勻性能一致,無受熱造成的薄弱區(qū);焊縫根部的熔合線區(qū)域受焊接熱影響為焊接接頭的薄弱區(qū),同時熔合線區(qū)存在變截面(管子母材和焊縫余高存在高度差)導(dǎo)致該區(qū)存在應(yīng)力集中。送檢樣管上的裂紋均位于管子焊縫根部熔合線區(qū),由此表明,對接焊縫根部的熔合線區(qū)域為管屏焊接接頭最薄弱的區(qū)域,易產(chǎn)生裂紋。

造成該電廠水冷壁管子膨脹受阻的原因是:管子之間熱負(fù)荷偏差較大、現(xiàn)場安裝時吊裝不當(dāng)或管屏對接焊時強(qiáng)制對口等。

4 結(jié) 語

通過宏觀檢查和理化試驗對有裂紋管和無裂紋管進(jìn)行對比并綜合分析,判斷該電廠水冷壁管泄漏是因水冷壁管屏安裝完成后,在管子長度方向膨脹受阻,膨脹受阻區(qū)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力無法釋放。鍋爐運行時,在結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力和運行壓力的共同作用下,在管屏對接焊縫處發(fā)生了嚴(yán)重的變形,進(jìn)而導(dǎo)致在最薄弱的焊縫熔合線區(qū)域發(fā)生了開裂,裂紋在共同應(yīng)力作用下慢慢擴(kuò)展并貫穿壁厚開裂,最終造成管屏泄漏。

為有效控制水冷壁管屏膨脹受阻引發(fā)對接焊縫產(chǎn)生裂紋情況發(fā)生,保障大型電站鍋爐的安全運行,提出以下預(yù)防措施。

1)施工現(xiàn)場地面預(yù)拼裝時,應(yīng)認(rèn)真檢查水冷壁管屏間對接焊縫的對口情況,將管屏對口難題在地面解決,避免出現(xiàn)吊裝后在高空進(jìn)行強(qiáng)制對口。

2)現(xiàn)場安裝時選取好吊管點,避免管屏在吊裝時發(fā)生變形等情況。

3)增加泄漏區(qū)域溫度測點,在后續(xù)運行時監(jiān)督管屏的熱負(fù)荷情況,避免管子間熱負(fù)荷產(chǎn)生較大偏差。