摘 要:某鍋爐在運(yùn)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(guò)宏觀檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)和掃描電鏡分析,對(duì)鍋爐水冷壁管橫向裂紋 的形成原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:在壁溫波動(dòng)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(hào):TG４０５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５３６Ｇ０４

鍋爐水冷壁管的可靠性直接關(guān)系到電廠機(jī)組的 安全有效運(yùn)行,因此對(duì)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(yùn)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(jìn)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(jī) 組 累 計(jì) 運(yùn) 行 了 約 ４０００h.為分析水冷壁管橫向裂紋的形成原因,筆 者對(duì)其進(jìn)行了宏觀檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè) 試、金相檢驗(yàn)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(yàn)

１．１ 宏觀檢查

對(duì)兩根泄漏的水冷壁管進(jìn)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(zhǎng)度大于內(nèi)壁的,說(shuō)明裂紋起源于鋼 管外壁,向內(nèi)壁擴(kuò)展. 將該水冷壁管酸洗后對(duì)其進(jìn)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(wú)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(duì)該兩根水冷 壁管進(jìn)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(wú)縫鋼管»對(duì)１５CrMoG鋼的技術(shù)要求.

１．３ 力學(xué)性能測(cè)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫 拉伸試驗(yàn),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(duì)１５CrMoG 鋼的技術(shù)要求.

１．４ 金相檢驗(yàn)

分別在水冷壁管的向火側(cè)裂紋附近處、向火側(cè) 遠(yuǎn)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(jìn)行侵蝕,然后采用ZeissAxiovert ２００MAT 型金相顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn),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(yuǎn)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(wú)球化特征,說(shuō)明無(wú)超溫 現(xiàn)象;晶粒度級(jí)別均為 ７ 級(jí),滿足 GB５３１０－２００８ 的要求.向火側(cè)外壁存在大量的橫向裂紋,

１．５ 掃描電鏡分析

采用 Apollo３００型掃描電鏡(SEM)對(duì)水冷壁 管的斷口形貌進(jìn)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(kuò)展特征, 斷口上存在的黑褐色物質(zhì)為高溫氧化物,說(shuō)明在裂 紋擴(kuò)展過(guò)程中伴隨著高溫氧化.

采用 Quantax能譜儀(EDS)對(duì) 水 冷 壁 管 裂 紋 內(nèi)部物質(zhì)進(jìn)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(shuō)明 管壁裂紋區(qū) 域 腐 蝕 嚴(yán) 重,其 中 硫 含 量 達(dá) 到 ７．５９％ (質(zhì)量分?jǐn)?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(wú)珠光體球化現(xiàn)象, 說(shuō)明無(wú)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(kuò)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(kuò)展的 重要特征及判斷疲勞斷裂的主要依據(jù),說(shuō)明裂紋性 質(zhì)屬于疲勞裂紋[２];通過(guò)能譜分析證實(shí),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(dá) 到７．５９％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),說(shuō)明水冷壁管運(yùn)行過(guò)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(shuō)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(jìn)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(jī)理為:水冷壁管在高溫運(yùn)行過(guò) 程中會(huì)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(jī)組負(fù)荷變化時(shí),氧化膜與金屬基體會(huì)承受 熱疲勞應(yīng)力,氧化膜的強(qiáng)度及塑性不及金屬基體的, 會(huì)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(huì)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(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展,在此過(guò)程中腐蝕與疲勞交互 作用,大大加速了裂紋的擴(kuò)展進(jìn)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(dòng)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(dòng),控制水 冷壁管表面腐蝕氣氛;同時(shí)可考慮對(duì)橫向裂紋產(chǎn)生 區(qū)域的水冷壁管進(jìn)行換管處理,對(duì)更換后的水冷壁 管進(jìn)行熱噴涂或堆焊處理,以隔絕腐蝕介質(zhì).

參考文獻(xiàn):

[１] 徐雪霞,馮硯廳,柯浩,等．鍋爐水冷壁管失效原因分 析[J]．鑄造技術(shù),２０１０,３１(９):１２２２Ｇ１２２５．

[２] 王兆民,程義．某電廠水冷壁管斷裂失效分析[J]．理 化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１７,５３(１０):７５７Ｇ７６０．

[３] 于程煒．超臨界鍋爐水冷壁管橫向裂紋分析及治理 [J]．電力安全技術(shù),２０１２,１４(１１):６Ｇ１０．

[４] 陳紅冬,胡波濤,謝國(guó)勝．３００MW 機(jī)組水冷壁管橫向 裂紋原因分析[J]．華中電力,２００１,１４(６):５０Ｇ５３．

[５] 劉勇,唐必光．鍋爐水冷壁管橫向裂紋失效機(jī)理分析 [J]．電站系統(tǒng)工程,２０００,１６(３):１４７Ｇ１４９．

[６] 劉廣興,龔巍,王兆民．鍋爐水冷壁內(nèi)螺紋管泄漏原 因分析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１７,５３(８):６０３Ｇ ６０６．

[７] 王立坤,周楊,榮軍,等．某電廠水冷壁管爆裂原因分 析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１６,５２(１１):８２８Ｇ８３２．

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