水冷壁管是鍋爐熱量傳遞的核心部件,其在正常運行狀態須承受機組啟停、載荷變化帶來的溫度場、應力場變化[1-3],以及高溫煙氣、水汽介質的沖刷和腐蝕作用[4-6]。管材料中的原始缺陷[7-8]、施工焊接缺陷等[9-10]將直接影響水冷壁管的使用壽命,極易發生水冷壁爆管泄漏事故,嚴重威脅鍋爐的安全性[11]。某發電廠3號鍋爐為某鍋爐廠生產的亞臨界自然循環汽包爐,于2007年8月投入使用,累計運行18萬h。鍋爐使用單爐膛∏型布置,四角切圓燃燒,固態排渣,水冷壁管為鰭片焊接的膜式水冷壁管,材料為20G鋼,規格為63.5 mm×8 mm（外徑×壁厚）,密封板材料為Q235-A鋼。2023年8月,鍋爐后水冷壁上部發生泄漏現象,停機檢修期發現爐膛上部折焰角斜坡位置左數第22根水冷壁管開裂泄漏。為保障機組正常運行,筆者采用一系列理化檢驗方法對鍋爐水冷壁爆管事故原因進行分析,并提出改進措施。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

泄漏水冷壁管位于折焰角斜坡爐左數第22根水冷壁管直管段,泄漏水冷壁管宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：開裂位置上方補焊密封板,密封板拼口處缺口平整,未見火焰切割與機械切割痕跡,未見明顯的腐蝕產物層；裂紋由密封板拼口處啟裂,沿密封板角焊縫向水冷壁管焊趾擴展,止裂于水冷壁向火側母材,裂紋環向長度約為10 mm,軸向延伸約17 mm。沿裂紋打開水冷壁,對斷口進行觀察,可見斷口整體呈銹紅色與黑色交錯,表面有明顯沖刷痕跡,斷面由外向內呈弧形擴展,斷口橫截面未見明顯的腐蝕減薄和脹粗現象。 

圖  1  泄漏水冷壁管宏觀形貌

1.2   力學性能測試

在爆管向火面和背火面取樣,分別編號為試樣1,2。對試樣進行常溫力學性能測試。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》制備寬度為10 mm的縱向弧形試樣,采用電子拉伸試驗機對試樣進行拉伸試驗；按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》制作尺寸為5 mm×10 mm×55 mm（長度×寬度×高度）的夏比V型缺口試樣,對試樣進行沖擊試驗,試驗結果如表1所示。由表1可知：試樣的力學性能測試結果均滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》要求,其中角焊縫的3次硬度實測值為196~198 HV,滿足DL/T 869—2021《火力發電廠焊接技術規程》的要求。 

1.3   化學成分分析

采用移動便攜式光譜儀對母材和角焊縫試樣進行化學成分分析,結果分別如表2,3所示。由表2,3可知：水冷壁母材化學成分符合GB/T 5310—2017要求,角焊縫化學成分符合DL/T 869—2021中E5016型號焊條的化學成分要求。 

1.4   金相檢驗

分別對開裂位置向火側、背火側母材橫截面和密封板角接接頭處截取試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：母材和焊縫橫截面顯微組織為鐵素體+珠光體,球化級別均為1.5級,顯微組織正常；在密封板與母材角焊縫中間底部存在未熔合區域,未熔合區附近可見兩處沿厚度方向由管外表面向內擴展的裂紋,裂紋寬且直,呈倒三角形態,長度約為50 μm,內有氧化物填充,尖端局部放大后,可見主裂紋附近存在二次裂紋。 

圖  2  泄漏管的微觀形貌

1.5   掃描電鏡（SEM）和能譜分析

在開裂部位截取試樣,再用體積分數為5%的稀鹽酸丙酮溶液對斷口進行超聲波清洗,將清洗前后斷口試樣置于掃描電鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：水冷壁管局部已開裂,并貫穿整個壁厚,貫穿斷口平齊,表面覆蓋一層氧化皮層,并可見明顯沖刷痕跡,斷口兩側局部可見相互平行的弧形花樣；斷口表面存在明顯的貝殼紋和微觀疲勞輝紋,裂紋源區位于外表面密封板拼口處根部,由外表面向內表面擴展。 

圖  3  泄漏管斷口截面SEM形貌

采用掃描電鏡附帶的能譜儀對未清洗斷口處的腐蝕產物層進行能譜分析,結果如圖4所示。未貫穿部位腐蝕產物層主要為鐵和氧元素,同時還存在少量碳、鈣、錳等元素。貫穿部位腐蝕產物層主要為鐵和氧元素,并含有少量碳、磷、硫、錳等元素。可見腐蝕產物層更多的是高溫氧化產物,并未形成腐蝕性較強的硫酸鹽或者氯化腐蝕物。對母材內表面氧化皮厚度進行測量,測得氧化皮最大厚度不大于50 μm,并未顯示明顯的氧化皮。 

圖  4  泄漏管斷口截面腐蝕產物能譜圖

2.   綜合分析

開裂位置為折焰角斜坡水冷壁密封板拼口處,裂紋沿密封板角焊縫向水冷壁管焊趾擴展,止裂于水冷壁向火側母材。斷口整體呈銹紅色與黑色交錯,表面有明顯沖刷痕跡,斷面由外向內呈弧形擴展,未見明顯的腐蝕減薄和脹粗現象。常溫力學性能測試和化學成分分析結果表明,母材和焊縫性能均符合標準要求。開裂位置母材、焊縫橫截面顯微組織均為鐵素體+珠光體,珠光體球化級別約為1.5級,組織正常。在母材與密封板角焊縫中間存在未熔合區,未熔合區附近可見沿厚度方向由管外表面向內擴展的裂紋,內有氧化物填充。斷口處可見明顯的貝殼紋和微觀疲勞輝紋,裂紋源區位于外表面密封板拼口處根部,由外表面向內表面擴展。在斷口內表面處可見氧化產物層,產物主要為鐵和氧元素,同時具有少量碳、磷、硫、錳等元素,并未發現腐蝕性較強的硫酸鹽或者氯化物。 

綜上分析,水冷壁爆管是由于密封板根部焊接后存在未熔合缺陷,并導致應力集中,在溫差熱應力和疲勞應力的綜合作用下,形成疲勞裂紋并最終發生開裂爆管。母材與密封板角焊縫存在未熔合區,引起嚴重的應力集中,在該位置形成峰值應力[12]。鍋爐啟停或載荷頻繁波動引起水冷壁管劇烈振動,同時折焰角區域受煙氣沖刷,密封板與水冷壁管局部存在較大溫差,形成循環熱應力[13],在未熔合區形成疲勞源區,在持續的疲勞應力和熱應力作用下,管壁裂紋不斷擴展,并在斷口出現二次裂紋[14]。疲勞裂紋在裂紋源區形成,并向內表面擴展,最終穿透管壁,導致管泄漏。 

3.   結論與建議

水冷壁管爆管泄漏的原因是密封板根部存在未熔合區,引起應力集中,在鍋爐啟停及載荷波動,以及煙氣沖刷作用下萌生疲勞裂紋,裂紋由外表面擴展到內表面,形成貫穿裂紋。針對該爆管事故,建議采取以下措施來保障鍋爐的安全運行。 

（1）提高現場焊接接頭質量和無損檢測要求,根據DL/T 869—2021標準要求制定焊接工藝文件并嚴格執行,采用射線和表面檢測等方法提高焊接缺陷的檢出能力。 

（2）對水冷壁密封板焊接過程中產生的尖銳缺口、溝槽、毛刺等導致的局部應力集中位置進行打磨,并進行表面無損檢測,避免出現應力集中現象。

文章來源——材料與測試網