杜 峰，劉獻(xiàn)良，賴云亭，趙朋飛

（1.華電鄒縣發(fā)電有限公司，山東濟(jì)寧 273522；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

某廠3號鍋爐是哈爾濱鍋爐廠根據(jù)美國ABB-CE燃燒工程公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造的，配350 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組的亞臨界壓力帶一次中間再熱，固態(tài)排查，控制循環(huán)汽包鍋爐，燃料為煙煤。過熱器、再熱器蒸汽出口溫度均為541 ℃，給水溫度281 ℃；鍋爐呈“Π”型布置，設(shè)計(jì)有固定的膨脹中心；受熱面采用全懸吊結(jié)構(gòu)。水冷壁采用外徑為φ 44.5 mm 的光管和內(nèi)螺紋管，節(jié)距為57.15 mm，管間的間隙為金屬熔燒焊（或用扁鋼焊接）形成完全氣密封爐膛。水冷壁全部管子材料為碳鋼。2018年12月，該廠3號鍋爐水冷壁管出現(xiàn)一處開裂泄漏。泄漏時(shí)，該鍋爐運(yùn)行時(shí)間約8.5 萬h。泄漏管段宏觀照片如圖1所示。

圖1 開裂管段照片

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀檢驗(yàn)

開裂的水冷壁管表面宏觀形貌如圖2 所示。管段宏觀上無明顯脹粗，外壁表面可見一條狹長的縱向裂紋，裂紋開口較小，外壁測量的裂紋長度約70 mm，如圖2（a）所示；將管子縱向剖開，內(nèi)壁測量的裂紋長度約40 mm，如圖2（b）所示；裂紋附近外壁局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)有折疊類缺陷，如圖2（c）所示；在缺陷附近有疑似裂紋出現(xiàn)，如圖2（d）所示；管段外壁表面存在一條沿管子縱向較長分布的加工變形段，如圖2（e）所示；變形段表面呈平面狀態(tài)，沿管子橫截面觀察可見，管子內(nèi)壁表面也有變形，如圖2（f）所示，且裂紋恰好位于該變形段。

圖2 開裂管表面宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

開裂水冷壁管取樣化學(xué)成分分析結(jié)果如表1 所示。結(jié)果表明，管段化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310-2017 對20G 化學(xué)成分的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

1.3 力學(xué)性能測試

兩管段取樣室溫拉伸及硬度測試結(jié)果分別如表2～3所示。其中，變形段和無變形段試樣分別為裂紋所在的變形段和遠(yuǎn)離變形段的直管段取樣。結(jié)果可見，兩管段室溫拉伸性能及硬度值均滿足GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求，且變形段與無變形段硬度值無明顯差別。

表2 拉伸性能測試結(jié)果

表3 硬度測試結(jié)果 HBW

1.4 金相檢驗(yàn)

在管段變形段及遠(yuǎn)離變形段的無變形直管段取環(huán)狀試樣，分別編號J1、J2進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3～4 所示。兩位置取樣金相組織均為鐵素體+珠光體，組織未見明顯球化。J1、J2內(nèi)壁均存在大量的腐蝕坑，導(dǎo)致內(nèi)壁表面粗糙不平。J1 內(nèi)壁還出現(xiàn)凹槽型的輕微加工缺陷，外壁表面在管段加工變形的位置發(fā)現(xiàn)一條由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展的微裂紋，裂紋內(nèi)部充滿氧化皮，裂紋尖端也有較深的氧化，且尖端較為圓鈍，可見在管段運(yùn)行期間，該裂紋未產(chǎn)生明顯擴(kuò)展。兩取樣外壁無明顯加工變形的位置，微觀上也呈現(xiàn)出較多的凹坑狀，但凹坑深度相對較淺，對管段整體性能影響較小。

圖3 J1 試樣顯微組織形貌

圖4 J2 試樣顯微組織形貌

在裂紋尖端取樣J3裂紋形貌如圖5 所示。裂紋宏觀上較為平直，由管子外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。裂紋內(nèi)部氧化皮厚度沿裂紋深度方向出現(xiàn)一明顯的分界線，分界線上方裂紋開口側(cè)氧化層厚度明顯較厚，而分界線下方和管段外壁的氧化層要薄得多。裂紋開口側(cè)顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒未見明顯的拉長變形，塑性變形特征不明顯。裂紋尖端以穿晶+沿晶的混合形貌擴(kuò)展。

圖5 J3 試樣裂紋顯微形貌

2 分析討論

通過上述各項(xiàng)檢驗(yàn)，對檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

（1）開裂管段取樣的化學(xué)成分、室溫拉伸性能及布氏硬度值均符合GB/T 5310-2017等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可基本排除管段化學(xué)成分或力學(xué)性能不合格等材質(zhì)問題而導(dǎo)致泄漏的可能性。

（2）管段內(nèi)壁均有明顯的腐蝕坑，但未發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有與腐蝕坑相關(guān)的微裂紋，且宏觀檢查發(fā)現(xiàn)泄漏位置主裂紋外壁側(cè)裂紋長度明顯比內(nèi)壁側(cè)要長得多，表明泄漏位置主裂紋的形成與內(nèi)壁腐蝕無關(guān)。

（3）開裂管泄漏位置為一條沿管子縱向的狹長裂紋，裂紋開口較小。裂紋附近外壁局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)有折疊類缺陷。折疊是鋼管常見的熱加工缺陷，嚴(yán)重影響鋼管的產(chǎn)品質(zhì)量［1］。管段一側(cè)還出現(xiàn)一段較大長度的加工變形，且裂紋恰好位于該變形段。在變形段遠(yuǎn)離主裂紋的位置也有沿管子縱向分布的疑似裂紋出現(xiàn)，經(jīng)取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)表明，上述疑似裂紋為由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展的微裂紋，裂紋內(nèi)部充滿氧化皮，裂紋尖端圓鈍，且氧化嚴(yán)重，表明該裂紋的形成時(shí)間較早。

（4）金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管段不同位置顯微組織均為鐵素體+珠光體，組織無明顯球化，且宏觀檢驗(yàn)時(shí)也未見管段有明顯脹粗，表明管段不存在長時(shí)過熱特征［2-3］。泄漏位置主裂紋內(nèi)部氧化皮厚度沿裂紋深度方向有明顯的分界，在一定深度范圍內(nèi)氧化皮較厚，且其厚度明顯超過管子外壁和分界線另一側(cè)裂紋尖端側(cè)的氧化皮厚度。由此可見，泄漏位置主裂紋及管子變形段外壁側(cè)微裂紋形成于管子運(yùn)行之前。裂紋開口側(cè)顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒未見明顯的拉長變形，塑性變形特征不明顯，可見管子的開裂也并非短時(shí)過熱所致［4-5］。

（5）鍋爐水冷壁管的失效模式主要有長時(shí)過熱、短時(shí)過熱、苛性腐蝕、氫損傷、吹灰器磨損、熱疲勞裂紋、腐蝕疲勞等［6-7］。綜合以上分析可見，本次水冷壁管的開裂并非由上述因素所導(dǎo)致，而是與管子加工過程中出現(xiàn)的原始缺陷有關(guān)。管材質(zhì)量不好，如產(chǎn)生重皮、過大的加工直道、機(jī)械碰傷等，會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，在高溫高壓下工作，最終會導(dǎo)致管子開裂泄漏［8］。本次開裂的水冷壁管在投入運(yùn)行之前，管段變形位置已出現(xiàn)縱向微裂紋，在管段運(yùn)行過程中，部分微裂紋在管內(nèi)產(chǎn)生的較高應(yīng)力作用下由外壁向內(nèi)壁緩慢擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致管段泄漏。

3 結(jié)束語

通過對送檢水冷壁管各項(xiàng)理化性能試驗(yàn)并分析認(rèn)為，本次水冷壁管的開裂主要與管段制造過程中存在的原始裂紋有關(guān)。管段外壁側(cè)原始縱向裂紋在水冷壁管運(yùn)行中由外壁側(cè)向內(nèi)壁側(cè)緩慢擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致管段縱向開裂泄漏。針對上述分析，提出以下建議。

（1）管段內(nèi)壁腐蝕不是造成管段泄漏的原因，但大量內(nèi)壁腐蝕坑的存在會造成管子減薄，并導(dǎo)致腐蝕坑部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。因此，應(yīng)優(yōu)化鍋爐水質(zhì)，減少腐蝕源。如控制補(bǔ)給水和凝結(jié)水質(zhì)量，減少爐水中腐蝕性介質(zhì)的含量，做好停用爐的保護(hù)等。

（2）增加對鍋爐水冷壁管的宏觀檢驗(yàn)，對外壁存在與該開裂管段相似的加工缺陷的管段應(yīng)及早更換，對新更換的管段嚴(yán)格按照GB 5310-2017及DL/T 438-2016等標(biāo)準(zhǔn)做好入廠檢驗(yàn)工作，避免管段因原始質(zhì)量問題導(dǎo)致鍋爐爆管，引起機(jī)組非停。