韓志遠(yuǎn)

(內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司, 呼和浩特 010206)

水冷壁管是熱電廠鍋爐實現(xiàn)熱量傳遞與交換最核心的部件，由于鍋爐運行工況的復(fù)雜性，水冷壁管失效的情況較為常見。水冷壁管一旦失效不僅會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能會引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。 因此，分析水冷壁管的失效原因并提出有效的預(yù)防措施，對保證熱電廠鍋爐的安全運行具有非常重要的意義[1-5]。

某熱電廠600 MW鍋爐為東方鍋爐公司制造的亞臨界、自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的Ⅱ型汽包爐,型號為DG2070/17.5-Ⅱ4。鍋爐設(shè)計壓力為19.1 MPa，最大連續(xù)蒸發(fā)量為2 070 t·h-1，額定蒸發(fā)量為1 876 t·h-1，額定蒸汽溫度為541 ℃。該鍋爐在進(jìn)行A級檢修時根據(jù)需要更換了部分水冷壁管，檢修完成后鍋爐在額定工作壓力下進(jìn)行了水壓試驗，當(dāng)一次汽系統(tǒng)壓力升至16.7 MPa時，鍋爐右前角水冷壁放水管處發(fā)生了滲漏，在檢查時發(fā)現(xiàn)水冷壁下集箱放水管右前角左數(shù)第3根管開裂。為了找出該水冷壁管的開裂原因，筆者對其進(jìn)行了檢驗和分析，以期杜絕類似失效事件再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

該600 MW鍋爐爐膛的斷面尺寸為20.7 m×16.744 m，爐膛容積為18 532 m3。爐膛高熱負(fù)荷區(qū)域采用內(nèi)螺紋管膜式水冷壁，水循環(huán)方式為自然水循環(huán)。爐膛上部布置有前、后屏式過熱器及高溫過熱器，折焰角后部水平煙道布置有高溫再熱器，后豎井雙煙道分別布置有水平低溫過熱器、低溫再熱器及省煤器。鍋爐水冷壁具體參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐水冷壁參數(shù)Tab.1 Parameters of the boiler water wall tube

新更換的水冷壁下集箱放水管的規(guī)格為φ42 mm×6 mm，發(fā)生開裂部位距管端2 m，鍋爐爐管的具體布置見圖1。

圖1 開裂水冷壁管位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of location of the cracked water wall tube

對開裂管子中間原始裂紋部位進(jìn)行解剖，宏觀形貌如圖2和圖3所示。由圖2和圖3判斷管子裂紋斷面上部為原始缺陷，裂紋深度為0.5～3 mm，下部為裂紋擴(kuò)展區(qū)域，裂紋從管子外壁起始一直向內(nèi)壁擴(kuò)展。從裂紋形態(tài)推測該裂紋屬于原始管材的軋制裂紋。管子裂紋從中間部位開裂，開口寬度約1.5 mm，長度約400 mm，從裂紋的開裂寬度推測原始裂紋長度約為200 mm，兩端的裂紋為裂紋在擴(kuò)展過程中拉裂導(dǎo)致的。

圖2 開裂管段宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the cracked tube section

圖3 開裂管段縱剖斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of longitudinal fracture of the cracked tube section

1.2 化學(xué)成分分析

水冷壁放水管材料為20G鋼，水冷壁放水管采用冷拔制造工藝生產(chǎn)并進(jìn)行了熱處理。材料的化學(xué)成分是保證材料使用性能的前提，因此分別對新的水冷壁管和發(fā)生開裂的水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，水冷壁管化學(xué)成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對20G鋼的成分要求。

表2 水冷壁管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the water wall tube (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

在開裂管子裂口附近割取兩段水冷壁管制成2個金相試樣，對其進(jìn)行金相檢驗，如圖4所示?？梢娖滹@微組織為鐵素體+珠光體，未發(fā)現(xiàn)球化，未見異常顯微組織，符合GB/T 5310-2017的技術(shù)要求。

圖4 開裂管子顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the cracked tube:a) at low magnification; b) at high magnification

1.4 力學(xué)性能試驗

為檢驗開裂水冷壁管是否存在其他問題，割取管樣進(jìn)行拉伸試驗和硬度測試，結(jié)果表3，可見其滿足GB/T 5310-2017的技術(shù)要求。此外割取管樣進(jìn)行壓扁試驗，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)裂紋及其他缺陷。

表3 水冷壁管力學(xué)性能試驗結(jié)果Tab.3 Mechanical properties test results of the water wall tube

2 分析與討論

失效水冷壁放水管的金相檢驗結(jié)果表明其顯微組織正常，力學(xué)性能試驗結(jié)果均符合GB/T 5310-2017的技術(shù)要求。失效水冷壁放水管的化學(xué)成分符合GB/T 5310-2017對20G鋼的成分要求。結(jié)合失效管材解剖結(jié)果，分析認(rèn)為水冷壁放水管在水壓試驗時失效開裂泄漏原因為原始管材坯料邊角部位存在夾渣缺陷，在管子拔制時夾渣遺留在母材內(nèi)部，造成母材不連續(xù)缺陷，在水壓試驗升壓時導(dǎo)致水冷壁管失效開裂[6-8]。該批管子裝配前未進(jìn)行100%探傷檢查，因此管子存在的原始缺陷未被發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致管子使用時失效開裂[9]。此外通過檢驗與開裂管同批次管材，均未發(fā)現(xiàn)水冷壁管存在超標(biāo)缺陷。此次更換的所有管子是同一批次管材但發(fā)生開裂的管子僅有1根，比例約為1%，檢驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以確認(rèn)該開裂管為個別現(xiàn)象，具有一定的偶然性。

3 結(jié)論及建議

由于水冷壁管子存在原始缺陷，鍋爐進(jìn)行水壓試驗升壓過程中在內(nèi)壓力作用下，水冷壁管的裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致水冷壁管開裂。

建議新購買的鍋爐管材盡量進(jìn)行100%超聲波探傷、渦流探傷、磁粉探傷等檢驗，避免類似事故的再次發(fā)生。