梁寶琦

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室,哈爾濱 １５００４６)

摘 要:某鍋爐在運行期間發生水冷壁管泄漏事故,檢查發現數十根管材外壁存在橫向裂紋.通過宏觀檢查、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗和掃描電鏡分析,對鍋爐水冷壁管橫向裂紋的形成原因進行了分析.結果表明:在壁溫波動導致的熱疲勞應力和腐蝕氣氛的共同作用下,鍋爐水冷壁管向火側管壁發生了腐蝕疲勞開裂,形成了密集的橫向裂紋,最終導致水冷壁管泄漏.

關鍵詞:水冷壁管;橫向裂紋;熱疲勞應力;腐蝕氣氛;腐蝕疲勞

中圖分類號:TG４０５ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５３６Ｇ０４

鍋爐水冷壁管的可靠性直接關系到電廠機組的安全有效運行,因此對鍋爐水冷壁管的失效分析及在此基礎上的預防和監督措施就顯得尤為重要[１].

某鍋爐在運行期間發生水冷壁管泄漏事故,停爐檢查發現泄漏的水冷壁管位于冷灰斗區域,其向火側外壁存在橫向裂紋,進一步檢查發現前后墻冷灰斗區域的水冷壁管有數十根存在橫向裂紋.該鍋爐采用垂直管圈的膜式水冷壁結構,存在橫向裂紋的水冷壁管 為 內 螺 紋 管,材 料 為 １５CrMoG 鋼,規 格 為?３５mm×６．５ mm,截 止 泄 漏 機 組 累 計 運 行 了 約４０００h.為分析水冷壁管橫向裂紋的形成原因,筆者對其進行了宏觀檢查、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗和掃描電鏡分析,以避免類似事故重復發生.

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀檢查

對兩根泄漏的水冷壁管進行宏觀檢查,泄漏水冷壁管的宏觀形貌如圖１所示.可見兩根水冷壁管向火側均有一條橫向裂紋位于焊縫附近,背火側則未見裂紋;兩根水冷壁管的向火側表面覆蓋較厚的灰分或氧化物,背火側表面則沒有灰分或氧化物存在,但有紅色銹蝕產物.兩根水冷壁管沒有明顯的變形、鼓包、漲粗、減薄等現象.將兩根水冷壁管在橫向裂紋處掰斷,泄漏水冷壁管的斷口宏觀形貌如圖２所示.可見裂紋斷面已氧化銹蝕,裂紋貫穿鋼管內外壁,在斷面上呈扇形分布,裂紋的外壁長度大于內壁的,說明裂紋起源于鋼管外壁,向內壁擴展.

將該水冷壁管酸洗后對其進行宏觀檢查,其表 面宏觀形貌如圖３所示.可見向火側外壁存在大量 裂紋,裂紋方向與管子軸線垂直,呈密集平行分布狀 態;背火側外壁則無裂紋出現,但有氧化腐蝕后的凹 坑特征.

將該水冷壁管酸洗后對其進行宏觀檢查,其表=面宏觀形貌如圖３所示.可見向火側外壁存在大量裂紋,裂紋方向與管子軸線垂直,呈密集平行分布狀態;背火側外壁則無裂紋出現,但有氧化腐蝕后的凹坑特征.

１．２ 化學成分分析

采用 OBLFQSN７５０直讀光譜儀對該兩根水冷壁管進行化學成分分析,結果見表１.由表１可知,兩根水冷壁管的化學成分均符合 GB５３１０－２００８«高壓鍋爐用無縫鋼管»對１５CrMoG鋼的技術要求.

１．３ 力學性能測試

在兩根水冷壁管的向火側和背火側分別取條狀試樣,采用 WDWＧ３００E 電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗,結果見表２.可見兩根水冷壁管向火側和背火側的室溫拉伸性能均符合 GB５３１０－２００８對１５CrMoG 鋼的技術要求.

１．４ 金相檢驗

分別在水冷壁管的向火側裂紋附近處、向火側遠離裂紋處和背火側取金相試樣,經磨制、拋光后采用硝酸酒精溶液進行侵蝕,然后采用ZeissAxiovert２００MAT 型金相顯微鏡進行金相檢驗,顯微組織形貌如圖４~６所示.可見水冷壁管向火側裂紋附近處、向火側遠離裂紋處和背火側的顯微組織均為鐵素體＋珠光體,珠光體組織無球化特征,說明無超溫現象;晶粒度級別均為 ７ 級,滿足 GB５３１０－２００８的要求.向火側外壁存在大量的橫向裂紋,裂紋形態為楔形,從外壁向內壁擴展,裂紋擴展呈穿晶特征,裂紋尖端圓鈍未分叉,裂紋內部充滿腐蝕產物;背火側外壁未發現裂紋.

１．５ 掃描電鏡分析

采用 Apollo３００型掃描電鏡(SEM)對水冷壁管的斷口形貌進行觀察,如圖７所示.斷口上可見明顯的貝紋線,呈現由外壁向內壁的疲勞擴展特征,斷口上存在的黑褐色物質為高溫氧化物,說明在裂紋擴展過程中伴隨著高溫氧化.采用 Quantax能譜儀(EDS)對 水 冷 壁 管 裂 紋內部物質進行能譜分析,分析位置及結果見圖８.可見裂紋內腐蝕產物中氧、硫元素含量較高,說明管壁裂紋區 域 腐 蝕 嚴 重,其 中 硫 含 量 達 到 ７．５９％(質量分數),可知腐蝕產物主要是鐵的氧化物、硫化物.

２ 分析與討論

水冷壁管的化學成分、力學性能和顯微組織均符合 GB５３１０－２００８的要求.向火側和背火側顯微組織均為鐵素體＋珠光體,并無珠光體球化現象,說明無超溫現象.水冷壁管向火側外壁存在大量平行的橫向裂紋,多數裂紋形態為楔形,從外壁向內壁穿晶擴展,裂紋尖端圓鈍未分叉,裂紋內部存在腐蝕產物;斷口上可見明顯的貝紋線,貝紋線的出現是疲勞擴展的重要特征及判斷疲勞斷裂的主要依據,說明裂紋性質屬于疲勞裂紋[２];通過能譜分析證實,裂紋內部腐蝕產物主要是鐵的氧化物和硫化物,其中硫含量達到７．５９％(質量分數),說明水冷壁管運行過程中存

在含硫的腐蝕氣氛[３].水冷壁管橫向裂紋密集,但未見管壁發生明顯腐蝕減薄,說明腐蝕介質雖然存在,但受限于冷灰斗

區域的水冷壁管壁溫水平較低,并未發生區域性的高溫腐蝕,而是發生了以疲勞為主導、腐蝕起輔助和促進作用的腐蝕疲勞開裂,應力因素在裂紋形成中的作用要大于腐蝕因素.其腐蝕疲勞失效機理為:水冷壁管在高溫運行過程中會在向火側外壁形成連續的氧化膜,由于氧化膜與金屬基體存在熱膨脹系數和溫度梯度差異,在起、停爐或者機組負荷變化時,氧化膜與金屬基體會承受熱疲勞應力,氧化膜的強度及塑性不及金屬基體的,會在氧化膜上產生橫向裂紋溝槽以釋放應力,如圖９

中I所示.在腐蝕氣氛下,腐蝕介質會在裂紋溝槽處與金屬基體局部接觸并造成選擇性腐蝕,如圖９中II所示.由于裂紋溝槽處的應力集中,在熱疲勞應力作用下裂紋會進一步擴展,在此過程中腐蝕與疲勞交互作用,大大加速了裂紋的擴展進程,造成裂紋貫穿內壁而導致泄漏[４Ｇ７],如圖９中III所示

３ 結論及建議

在壁溫波動導致的熱疲勞應力和腐蝕氣氛的共同作用下,鍋爐水冷壁管向火側管壁發生了腐蝕疲勞開裂,形成了密集分布的橫向裂紋,最終導致水冷壁管泄漏.建議盡可能減少水冷壁管的壁溫波動,控制水冷壁管表面腐蝕氣氛;同時可考慮對橫向裂紋產生區域的水冷壁管進行換管處理,對更換后的水冷壁管進行熱噴涂或堆焊處理,以隔絕腐蝕介質.

（文章來源：材料與測試網-理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 7期 > pp.536）