超臨界鍋爐水冷壁管泄漏失效分析

    概況

    某電廠超臨界鍋爐為參數(shù)變壓直流本生型600MW鍋爐，一次再熱，單爐膛，尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架，全懸吊結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)，露天布置。燃用晉南、晉東南地區(qū)貧煤、煙煤的混合煤種。鍋爐主要參數(shù)如下表1所示。

該鍋爐于2004年開始運(yùn)行168小時后，發(fā)現(xiàn)標(biāo)高60.4m一水冷壁彎管向火面泄漏，裂縫很窄，長約20mm。其水冷壁管材質(zhì)為T12，規(guī)格為Φ31.8×9.1mm，運(yùn)行壓力為27MPa，蒸汽溫度為415℃。

1、宏觀檢查

    管段分上彎、直管和下彎三部分，裂縫位于下彎外弧面，周圍有樹紋狀龜裂特征。其中上、下彎暴露于煙氣中而直管段埋于爐墻中，裂縫周圍有渣垢層附著以及煙氣磨擦痕跡。其整體宏觀形貌如照片1所示，裂縫局部形貌如照片2所示。

2、管子外徑和壁厚測量

   對管子的裂縫鼓包處、直管段中間和上彎頭（靠近直管段）所取金相樣進(jìn)行外徑和壁厚尺寸測量，結(jié)果列于表2。

從以上結(jié)果可以看出：直管段和上彎頭外徑和壁厚差異不大，而裂縫鼓包處向火—背火側(cè)外徑鼓包脹粗嚴(yán)重，脹粗率已達(dá)21%，同時其壁厚已減薄到1.7mm。

3、試驗(yàn)分析

3.1 金相試驗(yàn)

在管子的裂縫處、直管段（靠近下彎頭）和上彎頭（靠近直管段）分別切取一高約15mm 的環(huán)樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，分別標(biāo)記為1、2 和3號樣。結(jié)果表明：

1）1、2和3號樣均發(fā)現(xiàn)有球狀氧化物夾雜物，級別評定為2~3級。參見照片3；

2）1號樣向火面爆口處晶粒明顯變形拉長且晶粒位向明顯不同于基體組織，爆口尖端側(cè)面及晶粒間有氧化皮特征。背火面組織未發(fā)生變形，組織為鐵素體和珠光體，且有一定量的碳化物彌散分布于晶內(nèi)。參見照片4~照片6；

3）2號樣向火面、背火面組織無明顯差異，組織為鐵素體和珠光體，也有一定量的碳化物彌散分布于晶內(nèi)。組織形貌示于照片7；

4）3號樣向火面和背火面組織有明顯差異，組織均為鐵素體和珠光體，但向火面部分珠光體已在晶界聚集球化，球化級別可評定為3級，而背火面則沒有球化跡象。參見照片8和9。

從以上結(jié)果可以看出：1號和3號樣品組織老化程度較2號樣嚴(yán)重，1號樣爆口處已經(jīng)明顯相變，3號樣品的向火面組織和背火面組織有明顯的差異。

3.2 顯微硬度測量

對1、2和3號管樣分別進(jìn)行顯微硬度（HV）測量，結(jié)果如下：

#2：361.9 HV

#1爆口處：433.6 HV

#1背火面：396.3 HV

#3向火面：325.2 HV

#3背火面：426.4 HV

顯微硬度測量結(jié)果表明：#1樣品爆口處顯微硬度值最高，#1樣品背火面和#3樣品背火面的顯微硬度值高于#2樣，#3樣品的向火面顯微硬度低于其背火面而且低于#2樣品。#1樣的顯微硬度高是由于組織相變及晶粒嚴(yán)重變形導(dǎo)致的形變硬化，#3樣品向火面的顯微硬度低表明其向火面損傷相對嚴(yán)重。

4、分析與討論

    管子宏觀爆口特征與長時過熱特征比較相似，裂縫開口較窄周圍有樹紋狀龜裂特征。但管子僅運(yùn)行168 小時即泄漏，是屬于長期過熱、短時過熱還是制造質(zhì)量問題？

1）金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管樣有球狀氧化物夾雜物，其級別為2~3 級，夾雜物偏高與管子失效沒有直接關(guān)系。

2）上彎管向火面組織已明顯老化，珠光體球化可評為3 級，這表明管樣老化速率過快，運(yùn)行時明顯處于過熱狀態(tài)，但超溫幅度不是很高，未超過T12 鋼的AC1點(diǎn)（745℃）。

3）爆口處晶粒明顯變形拉長，組織為鐵素體和珠光體，爆口尖端側(cè)面及晶粒間有氧化皮特征，而背火面組織未發(fā)生變形，組織正常。爆口處組織晶粒位向已經(jīng)明顯不同于背火面組織，發(fā)生了明顯的相變。

綜上所述，爆漏在煙氣處的管子組織老化過快，管子明顯有過熱現(xiàn)象，但導(dǎo)致管子泄露原因應(yīng)屬于非正常工況導(dǎo)致的短時超溫。管子向火面泄露部位在短時間內(nèi)溫度過高，已超過T12 鋼的AC1點(diǎn)（745℃），短時超溫導(dǎo)致材料強(qiáng)度急劇下降而發(fā)生泄露。鍋爐管的短時超溫爆管，通常由一次或多次嚴(yán)重超溫發(fā)生鋼管脹粗管壁減薄而爆管。造成管壁短時向內(nèi)嚴(yán)重超溫，原因可分為管內(nèi)冷卻工質(zhì)流量減少或中斷和管外煙氣超溫。通常由以下情況引起鍋爐管短時超溫爆管：

1) 管內(nèi)汽水通道堵塞；

2) 鍋內(nèi)冷卻工質(zhì)循環(huán)被破壞，或低水位；

3) 上游爐管損壞，使管內(nèi)冷卻工質(zhì)減少或中斷；

4) 爐內(nèi)燃燒過量或不穩(wěn)定。

因此應(yīng)加強(qiáng)對以上各項的監(jiān)督檢驗(yàn)以預(yù)防爆管的再次發(fā)生。