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(fā)生水冷壁管泄漏事故,檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)十根管材外壁存在橫向裂紋.通過宏觀檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)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(jié)果表明:在壁溫波動導(dǎo)致的熱疲勞應(yīng)力和腐蝕氣氛的共同作用下,鍋爐水冷壁管向火側(cè)管壁發(fā)生了腐蝕疲勞開裂,形成了密集的橫向裂紋,最終導(dǎo)致水冷壁管泄漏.

關(guān)鍵詞:水冷壁管;橫向裂紋;熱疲勞應(yīng)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(guān)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(chǔ)上的預(yù)防和監(jiān)督措施就顯得尤為重要[１].

某鍋爐在運行期間發(fā)生水冷壁管泄漏事故,停爐檢查發(fā)現(xiàn)泄漏的水冷壁管位于冷灰斗區(qū)域,其向火側(cè)外壁存在橫向裂紋,進一步檢查發(fā)現(xiàn)前后墻冷灰斗區(qū)域的水冷壁管有數(shù)十根存在橫向裂紋.該鍋爐采用垂直管圈的膜式水冷壁結(jié)構(gòu),存在橫向裂紋的水冷壁管 為 內(nèi) 螺 紋 管,材 料 為 １５CrMoG 鋼,規(guī) 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(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗和掃描電鏡分析,以避免類似事故重復(fù)發(fā)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(cè)均有一條橫向裂紋位于焊縫附近,背火側(cè)則未見裂紋;兩根水冷壁管的向火側(cè)表面覆蓋較厚的灰分或氧化物,背火側(cè)表面則沒有灰分或氧化物存在,但有紅色銹蝕產(chǎn)物.兩根水冷壁管沒有明顯的變形、鼓包、漲粗、減薄等現(xiàn)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(nèi)外壁,在斷面上呈扇形分布,裂紋的外壁長度大于內(nèi)壁的,說明裂紋起源于鋼管外壁,向內(nèi)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(cè)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(tài);背火側(cè)外壁則無裂紋出現(xiàn),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(cè)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(tài);背火側(cè)外壁則無裂紋出現(xiàn),但有氧化腐蝕后的凹坑特征.

１．２ 化學(xué)成分分析

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

１．３ 力學(xué)性能測試

在兩根水冷壁管的向火側(cè)和背火側(cè)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(jié)果見表２.可見兩根水冷壁管向火側(cè)和背火側(cè)的室溫拉伸性能均符合 GB５３１０－２００８對１５CrMoG 鋼的技術(shù)要求.

１．４ 金相檢驗

分別在水冷壁管的向火側(cè)裂紋附近處、向火側(cè)遠離裂紋處和背火側(cè)取金相試樣,經(jīng)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(cè)裂紋附近處、向火側(cè)遠離裂紋處和背火側(cè)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(xiàn)象;晶粒度級別均為 ７ 級,滿足 GB５３１０－２００８的要求.向火側(cè)外壁存在大量的橫向裂紋,裂紋形態(tài)為楔形,從外壁向內(nèi)壁擴展,裂紋擴展呈穿晶特征,裂紋尖端圓鈍未分叉,裂紋內(nèi)部充滿腐蝕產(chǎn)物;背火側(cè)外壁未發(fā)現(xiàn)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(xiàn)由外壁向內(nèi)壁的疲勞擴展特征,斷口上存在的黑褐色物質(zhì)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(nèi)部物質(zhì)進行能譜分析,分析位置及結(jié)果見圖８.可見裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物中氧、硫元素含量較高,說明管壁裂紋區(qū) 域 腐 蝕 嚴 重,其 中 硫 含 量 達 到 ７．５９％(質(zhì)量分數(shù)),可知腐蝕產(chǎn)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(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織均符合 GB５３１０－２００８的要求.向火側(cè)和背火側(cè)顯微組織均為鐵素體＋珠光體,并無珠光體球化現(xiàn)象,說明無超溫現(xiàn)象.水冷壁管向火側(cè)外壁存在大量平行的橫向裂紋,多數(shù)裂紋形態(tài)為楔形,從外壁向內(nèi)壁穿晶擴展,裂紋尖端圓鈍未分叉,裂紋內(nèi)部存在腐蝕產(chǎn)物;斷口上可見明顯的貝紋線,貝紋線的出現(xiàn)是疲勞擴展的重要特征及判斷疲勞斷裂的主要依據(jù),說明裂紋性質(zhì)屬于疲勞裂紋[２];通過能譜分析證實,裂紋內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物主要是鐵的氧化物和硫化物,其中硫含量達到７．５９％(質(zhì)量分數(shù)),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(fā)生明顯腐蝕減薄,說明腐蝕介質(zhì)雖然存在,但受限于冷灰斗

區(qū)域的水冷壁管壁溫水平較低,并未發(fā)生區(qū)域性的高溫腐蝕,而是發(fā)生了以疲勞為主導(dǎo)、腐蝕起輔助和促進作用的腐蝕疲勞開裂,應(yīng)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(cè)外壁形成連續(xù)的氧化膜,由于氧化膜與金屬基體存在熱膨脹系數(shù)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(yīng)力,氧化膜的強度及塑性不及金屬基體的,會在氧化膜上產(chǎn)生橫向裂紋溝槽以釋放應(yīng)力,如圖９

中I所示.在腐蝕氣氛下,腐蝕介質(zhì)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(yīng)力集中,在熱疲勞應(yīng)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(nèi)壁而導(dǎo)致泄漏[４Ｇ７],如圖９中III所示

３ 結(jié)論及建議

在壁溫波動導(dǎo)致的熱疲勞應(yīng)力和腐蝕氣氛的共同作用下,鍋爐水冷壁管向火側(cè)管壁發(fā)生了腐蝕疲勞開裂,形成了密集分布的橫向裂紋,最終導(dǎo)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(chǎn)生區(qū)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(zhì).

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