超超臨界機組水冷壁向火側裂紋和高溫腐蝕原因分析

蒙殿武，沈全宏，王力強，董志紅

(1.江蘇大唐國際呂四港發電有限責任公司，江蘇 啟東 226246;2.成都大學工業制造學院，四川 成都 610106)

超超臨界機組水冷壁向火側裂紋和高溫腐蝕原因分析

蒙殿武1，沈全宏1，王力強1，董志紅2

(1.江蘇大唐國際呂四港發電有限責任公司，江蘇 啟東 226246;2.成都大學工業制造學院，四川 成都 610106)

15CrMo合金管在鍋爐水循環中常發生管壁開裂、腐蝕等現象.對使用2年的15CrMo合金管在鍋爐上產生的裂紋進行分析.結果表明，管壁開裂均為單一裂紋，主要分布在水冷壁高溫焊接區，向火面腐蝕較嚴重，且組織已球化，表現為高溫腐蝕，由于焊接區應力集中，高溫下易產生疲勞裂紋.

15CrMo合金管;高壓鍋爐;裂紋;腐蝕

0 引言

江蘇大唐國際某電廠超超臨界1號、2號機組自2010年3月投運后，相繼發生多次爆管現象.該鍋爐采用П型布置、單爐膛、改進型低NOx PM(Pollution Minimum)主燃燒器和MACT(Mitsuibishi Advanced Combustion Technology)型低NOx分級送風燃燒系統、墻式切圓燃燒方式，爐膛采用內螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環泵的啟動系統、一次中間再熱.鍋爐采用平衡通風、緊身封閉布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構.

2013年，在一次維修檢查中發現1號爐水冷壁前墻左部的不同管子焊縫處及管子高溫區向火側距中間集箱引出彎管下部約1 m(即兩側管子的引入引出彎管處)高度，管子母材發生多處橫向裂紋缺陷，同時還發現后墻相同高度管子母材存在大面積表面橫向裂紋缺陷及高溫腐蝕跡象，且裂紋多出現在向火面.

該鍋爐水冷壁管采用的是15CrMo鋼材質，這種材料具有良好的高溫持久強度、熱穩定性和高溫抗蠕變能力等性能，材料中各個元素發揮著各自的作用，分別起到固溶強化、彌散強化、提高鋼的抗氧化性和抗腐蝕性等作用，在發電廠鍋爐的水冷壁、過熱器中獲得廣泛應用［1－2］.但這種材料在熱電廠長期的使用過程中，常常會發生氧化腐蝕，降低鍋爐管的有效壁厚，阻礙蒸汽流的流動，導致局部工作壓增大，給安全生產帶來較大的隱患［3－4］.

本研究針對上述狀況對15CrMo合金管高溫受熱面水冷壁管的開裂及腐蝕問題進行分析，詳細闡述了其開裂原因.

1 材料與方法

1.1 樣品處理

將報廢的15CrMo合金管進行基體切割處理，規格為Φ28.6×6.5.將切割的樣品進行微處理，去除表面的銹垢，超聲清洗后檢測分析.15CrMo合金管的主要成分如表1所示.

表1 15CrMo合金管的主要成分及含量

1.2 試樣表征

管材試樣表征程序為:通過光學顯微鏡對管材樣品裂紋進行宏觀觀察;通過掃描電鏡和能譜分析儀對裂紋處進行組織觀察和成分分析;通過拉伸試驗和布氏硬度測試對試樣進行力學性能分析，拉伸樣條制備3個，硬度點隨機選擇3個，取平均值作為檢測結果.

2 結果與分析

2.1 宏觀檢測

經觀察，水冷壁管焊縫裂紋宏觀長度約為500 mm，其分布位置如圖1所示.裂紋上尖端(圖1所示位置3)距焊縫爐右側邊緣約14 mm，在靠爐右側邊緣約1/3位置;裂紋下尖端(圖1所示位置4)距焊縫爐右側邊緣約20 mm，在靠爐右側邊緣約1/2位置.對裂紋尖端及部分位置細磨后用5X放大鏡觀察，發現裂紋整條為單一曲線，未見明顯分叉，裂紋尖端亦未見分叉，且裂紋部分位置未相連，為斷續形貌(見圖2)，管材向火面有明顯的橫向裂紋(見圖3).

圖1 管道順時針流向的正視圖

2.2 拉力試驗

選擇未開裂區域的15CrMo合金管進行拉伸試驗結果如表2所示.

表2 拉伸試驗結果

根據GB/T 228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗》的相關標準，試樣的力學性能合格，但相對于背火面，試樣向火面拉力強度明顯下降.

2.3 硬度測試

15CrMo合金管不同位置點的布氏硬度檢測結果如表3所示.

表3 15CrMo合金管不同位置的硬度值

從表3數據可見，除了焊縫硬度略高于DL/T 438－2009《火力發電廠金屬技術監督規程》標準規定值(118～180 HB)外，其余所檢部位硬度測試值均在規定范圍內.

2.4 顯微組織觀察

將裂紋管段縱剖并進行微觀組織形貌觀察發現:縱向斷面可見多條垂直于管壁由外壁向內壁擴展的裂紋(見圖4(a))，裂紋貫穿整個壁厚，管子內壁則未發現有肉眼可見的裂紋;橫向裂紋密集區域有輕微脹粗鼓起，最大處管徑測量為29.4 mm.此外，試樣表面經過輕微腐蝕處理后在顯微鏡下觀察(見圖4(b)、(c))可見，外壁多處出現深入基體的裂紋，有的較深，最深處超過1 mm，大部分為較淺的開裂，小于0.5 mm，基本呈穿晶形貌，裂紋內部充滿灰色氧化物.向火面、背火面顯微組織(見圖5)均為δ鐵素體+珠光體，向火面珠光體開始分散，δ鐵素體基體析出大量碳化物，組織已輕度球化，成分嚴重偏析，背火面組織未球化.由于δ相本身熱塑性較低，在加熱過程中性能降低，因此裂紋極易在晶界處產生并擴展，最終導致15CrMo鋼管報廢.

圖4 裂紋顯微組織觀察

圖5 管材顯微組織結構

從金相顯微組織(見圖5)來看，向火面管材外壁和內壁沒有顯著的溫度梯度，顯微組織老化程度沒有明顯區別，管子除焊縫邊緣開裂泄漏外，其他部位未見密集的橫向開裂;橫向開裂處外壁相對于內壁老化程度明顯加重，存在明顯的溫度梯度.由此可見，橫向開裂與管子厚度方向的溫度梯度有某種內在聯系，管子外壁可能存在局部高溫.

除焊縫處有內壁裂紋外，橫向開裂均出現在水冷壁管向火面外壁位置，說明橫向開裂必然與溫度或向火面煙氣腐蝕有關.

將管材向火面表面覆蓋較厚的灰焦層除掉，可見紅褐色氧化層，厚約0.1 mm，進一步去除氧化層后可見明顯的凹凸不平的腐蝕平面，經壁厚測量，腐蝕處減薄約0.4～0.8 mm.從外觀來看，此處為典型的高溫腐蝕形貌，但管壁無明顯膨脹現象.這些腐蝕區域多分布在壁溫較高的向火面，尤其是在管頭局部寬鰭片密封位置，橫向裂紋較多，而在背火面腐蝕較輕.此種情況產生原因應與水冷壁管道局部超高溫或向火面煙氣腐蝕有關.同時，15CrMo合金管是用實心管坯經穿孔后軋制而成，因此在這個過程中會產生局部應力集中及成分偏析等狀況，在焊接熱影響區，晶體發生偏析，在晶界上形成低熔點共晶體，降低了材料的晶界強度和塑性，增加了結晶裂紋的傾向，裂紋敏感度增加，在高溫下所承受的彎曲應力較大，并且管壁承受高溫，外表面溫度每升高50℃，腐蝕程度則增加一倍，最終導致焊縫處產生裂紋［5－6］.此外，煤炭中大量的硫也是造成管壁產生高溫腐蝕的主要原因.煤在爐內燃燒不完全，將造成局部供氧不足產生較多的硫化氫氣體，并與氧化鐵發生反應，直接腐蝕管壁.同時，管壁附近的煙氣，如NaOH、SO2、HCl、H2S 等，含腐蝕性氣體成分較多，且處于還原狀態，隨著溫度降低，沉積加快，引起管材受熱面腐蝕［7］.

2.5 掃面電鏡觀察及成分分析

管材開裂區域的掃描電鏡觀察結果如圖6所示.圖6中，淺灰色為基體，深色為氧化皮，氧化皮開裂內部為破碎的顆粒，并發現有大量坑洞和少量塊狀深色區域，在深色區域內部有白色短棒狀物(見圖7).對這幾個區域進行成分分析發現:開裂處的基體成分(見圖8(a))主要是Fe，O，S，形成了Fe2O3和Fe3O4;部分S元素易和O結合形成硫酸根離子(或亞硫酸根等)，在高溫下發生硫腐蝕，即屬于電化學腐蝕;鼓起片狀物中除含有基體成分外(見圖8(b))，還含有少量的Cr，生成了一定量的FeCr2O4，說明在內氧化層，即鼓起部位Cr的含量較高，形成一定量的富集，表明高溫蒸汽會導致這一現象發生.

圖8 基體材料的能譜分析

圖9 開裂處氧化皮與異物的能譜分析

管材開裂處深色區域的成分分析結果如圖9所示.氧化皮的成分主要是Fe3O4(見圖9(a))，裂縫內的深色區域的破碎顆粒主要為Fe的氧化物，也含有少量的C和Na(見圖9(b)).坑洞內除了有Fe和O外，還有大量的Si元素，根據O的原子百分比，坑洞內應為Fe3O4和SiO2(見圖9(c)).深色區域內白色短棒狀物根據其元素成分應為Fe3O4和KCl(見圖9(d)).據此可以判斷，開裂處貫穿表面氧化皮，還有許多腐蝕產物，在腐蝕產物內部發現許多坑洞，這是因為氧化鐵并不致密，盡管Fe2O3致密性較好，但在高溫熱應力作用下，致密性大大降低而形成疏松的結構.在高溫下，水分子分解給氣體分子及金屬離子擴散提供了有利條件，加速了15CrMo合金管的氧化［8］.同時，加熱后燃料煤灰成分，如硫化氫等腐蝕性氣體，加速其氧化腐蝕，而白色短棒狀物質應為熔融態煤灰冷卻后析出的鹽，該處腐蝕為熔融鹽狀態下的電化學腐蝕.

3 結論

15CrMo合金管在發電廠鍋爐水管循環中長期使用會出現開裂現象，向火面會產生高溫腐蝕，在焊縫區和管段處，焊縫尤其顯著，主要原因是焊接區熔池內發生偏析、應力集中所致，且高溫下組織粗大導致裂紋向晶界處延展.鍋爐水管向火面的高溫腐蝕除了與溫度有關外，煙氣中的還原氣體也加速管壁的腐蝕.需說明的是，15CrMo合金鋼管在焊接材料及其他影響因素下產生裂紋原因還需進一步分析探討.

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Fireside Fracture and High Temperature Corrosion Cause Analysis of Water Cooled Wall of Ultra Supercritical Generating Set

MENG Dianwu1，SHEN Quanhong1，WANG Liqiang1，DONG Zhihong2
(1.Jiangsu Datang International Lyusigang Power Generation Co.，Ltd.，Qidong 226246，China;2.School of Industrial Manufacturing，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

Under water circulation of boiler，the fracture，corrosion，etc.of 15CrMo alloy steel pipes often occur.This paper analyzes the fracture of a 2-year 15CrMo alloy steel pipe in the boiler.The analysis results indicate that pipe wall cracks are single cracks，which are mainly distributed in the high temperature welding areas.On the fireside，corrosion is more serious and organization structure becomes balled，which is regarded as high temperature corrosion.Fatigued cracks under the high temperature occur due to stress concentration in the welding areas.

15CrMo alloy steel pipe;high pressure boiler;fracture;corrosion

TG142.1

A

1004－5422(2014)01－0064－04

2014－01－18.

蒙殿武(1969—)，男，工程師，從事金屬材料腐蝕與防治技術研究.