圖 1爆口處和遠離爆口處水冷壁管的宏觀形貌
鍋爐受熱面“四管”泄漏會使火電機組停機[1-2]。鍋爐“四管”中水冷壁管所處的環境最為苛刻，管內外服役環境差異較大，受力最復雜，煙氣腐蝕最嚴重，在服役過程中易發生吹損減薄、高溫腐蝕、超溫、堿腐蝕等事故，導致水冷壁管泄漏[3-5]。
某電廠2號鍋爐為一次再熱、平衡通風、全懸吊結構Π型超超臨界參數變壓直流爐，機組子2010年投運，累計運行時間為8 685.48 h。水冷壁設計介質的壓力為31 MPa，溫度為480 ℃。爐膛水冷壁為內螺紋管垂直上升式焊接膜式壁，其材料為15CrMoG鋼，規格為28.6 mm×6.4 mm（直徑×厚度）。前墻標高48 m處一水冷壁管（自爐左側第74根管，EF層燃燒器上部偏爐右，處于蒸發區域）發生爆管事故，附近21根管子有橫向裂紋。筆者采用一系列理化檢驗方法對水冷壁爆管原因進行分析，以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對爆口處和遠離爆口處的水冷壁管進行宏觀觀察，結果如圖1所示。由圖1可知：爆口處水冷壁管表面有明顯的結垢，在向火側表面分布有大量平行橫向條紋，主爆口靠近焊縫，背火側無結垢；遠離爆口處的水冷壁管向火側表面無結垢，在向火側表面也有平行橫向條紋。
對爆口處和遠離爆口處水冷壁管的剖面進行宏觀觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：兩個管子的向火側外壁均可見大量的橫向微裂紋，裂紋由外壁向內壁直線擴展，裂紋長短不一，有較明顯的熱疲勞裂紋特征；兩個管子的背火側未見明顯裂紋。
圖 2爆口處和遠離爆口處水冷壁管剖面的宏觀形貌
1.2 化學成分分析
對開裂水冷壁管進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：開裂水冷壁管的化學成分符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG鋼的要求。
Table 1.開裂水冷壁管的化學成分分析結果
1.3 力學性能測試
在開裂水冷壁管的背火側取樣，依據GB/T 228—2021《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》，利用電子拉伸萬能試驗機對試樣進行拉伸試驗，采用弧形試樣，保留試樣原始表面狀態，拉伸試驗結果如表2所示。由表2可知：試樣的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均滿足GB/T 5310—2017對15CrMoG鋼的要求。
Table 2.開裂水冷壁管的拉伸試驗結果
在爆口處和遠離爆口處的水冷壁管上取樣，依據GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用臺式硬度計對試樣進行硬度測試，載荷為1 838.7 N，保持時間為10 s，硬度測試結果如表3所示。由表3可知：爆口處和遠離爆口處的水冷壁管硬度均滿足DL/T 438—2016 《火力發電廠金屬技術監督規程》的要求（118~180 HBW），且向火側和背火側的硬度無顯著差異。
Table 3.爆口處和遠離爆口處水冷壁管的硬度測試結果
1.4 金相檢驗
依據DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗與評定技術導則》對爆口處水冷壁管進行金相檢驗，結果如圖3所示。由圖3可知：向火側組織為鐵素體+貝氏體，珠光體部分已經分散，但仍保持原區域形態，球化級別為2~2.5級；背火側組織為鐵素體+貝氏體，珠光體形態完整，球化級別為1級。相對背火側組織，向火側組織的球化程度略高，表明向火側金屬壁溫度較高，這在一定程度上加速了材料老化。
圖 3爆口處水冷壁管的顯微組織形貌
爆口處水冷壁管的微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：向火側外壁存在大量橫向裂紋，多數裂紋形態為楔形，從外壁向內壁擴展，裂紋區域內存在氧化腐蝕產物，裂紋端部呈圓鈍狀，裂紋擴展形式為穿晶擴展，呈開裂→鈍化→開裂特征[6-8]；向火側內壁也存在橫向裂紋，其形態與外壁裂紋類似，但數量和長度少于外壁裂紋；背火側內外壁均未發現裂紋。
圖 4爆口處水冷壁管的微觀形貌
1.5 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
利用掃描電鏡和能譜儀對水冷壁管向火側外壁的垢樣進行分析，結果如圖5所示。由圖5可知：該垢樣主要為煙灰成分，且含有較高濃度的S元素。
圖 5水冷壁管向火側外壁垢樣的SEM形貌及能譜分析結果
利用掃描電鏡和能譜儀對水冷壁管裂紋處進行能譜分析，結果如圖6所示。由圖6可知：該區域內存在S、Na、Ca等元素。
圖 6水冷壁管裂紋處的SEM形貌及能譜分析結果
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知：開裂水冷壁管的力學性能滿足相關標準要求；爆口處管子向火側組織為鐵素體+貝氏體，珠光體部分已經分散，但仍保持原區域形態，球化級別為2~2.5級，管材硬度為149 HBW，說明材料處于老化的初期階段；爆口處管子背火側仍保持原珠光體區域特征，碳化物無明顯擴散特征。同一管排向火側、背火側的組織存在差異，表明運行過程中，向火側金屬壁溫度較高，這在一定程度上加速了材料老化。向火側硬度滿足標準要求，表明材料尚未發生嚴重的組織劣化、性能降低，故可排除因超溫運行引起爆管的可能。
爆口處管上的裂紋為橫向平行裂紋，呈楔形，管內外壁均有大量裂紋，裂紋均呈穿晶形態擴展；裂紋擴展具有明顯的方向性，一般與管壁周向應力垂直；外壁裂紋充滿腐蝕性產物，主要含有S元素；內壁裂紋幾乎無腐蝕產物、氧化產物；相比內壁裂紋，外壁裂紋較多且較深。表明裂紋為典型的熱疲勞裂紋。
外壁裂紋的擴展過程為：萌生→擴展→粗化→再萌生→再擴展→再粗化。外壁裂紋內部充滿了含S、Na、C等元素的鹽類腐蝕產物，該類產物為低合金鋼熱腐蝕時硫酸鹽作用于氧化皮而生成的復合硫酸鹽，復合鹽與裂紋尖端處的含Fe氧化物反應，從而形成氧化物生產、溶解及再沉積過程，連續完整的氧化膜被破壞，形成了疏松氧化物層，從而導致腐蝕加劇[9]。
結合電廠實際的水冷壁溫度監測數據可知，管子頻繁出現溫度波動的情況，該開裂區域的溫差最高達到148 ℃；當鍋爐運行工況發生變化時，由于汽水管道介質狀態的變化會改變受熱面各區段所占的長度，即加熱、蒸發、過熱過程的分界點將隨之發生前后移動，從而造成某一區段溫度大幅下降或升高，形成了熱疲勞破壞的外部條件。水冷壁管內介質存在明顯溫度波動，尤其是開裂部位處于波動幅度較大的蒸發段區域（水、汽交變頻繁區域），機組頻繁調峰以及運行工況不穩定造成該區域溫度頻繁波動，導致管子發生熱疲勞開裂，管子內外壁均存在開裂傾向，當管外壁開裂后，腐蝕性煙氣會進一步加速裂紋擴展。
3. 結語及建議
機組頻繁調峰以及運行工況不穩定造成管子蒸發段區域發生熱疲勞開裂，外壁開裂后，腐蝕性煙氣加速了裂紋的擴展，最終導致水冷壁管發生爆管事故。
建議對直流鍋爐中汽水分界線發生波動的部位進行檢修，對蒸發段附近管段進行檢查，對發現的問題及時處理。調整運行工況可減少蒸汽溫度波動。
文章來源——材料與測試網