電廠鍋爐內(nèi)螺紋水冷壁管失效分析

李生德

（大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院，遼寧 大連 116013）

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電廠鍋爐內(nèi)螺紋水冷壁管失效分析

李生德

（大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院，遼寧 大連 116013）

通過宏觀形貌、化學(xué)成分、微觀組織分析等手段，對某電廠鍋爐內(nèi)螺紋水冷壁管爆管原因進行了綜合分析。判定該水冷壁管失效、管內(nèi)壁焊縫處大量結(jié)垢的原因并提出改進建議。

爆管；結(jié)垢；氫脆；失效分析

某熱電廠1＃鍋爐是亞臨界中間再熱強制循環(huán)汽包鍋爐，型號為CE-1150，該鍋爐額定過熱蒸汽出口溫度為541℃，額定工作壓力為17.25MPa。

2015年10月，該鍋爐在運行中，20m標高處，后墻水冷壁管左數(shù)第118根發(fā)生爆管。該位置水冷壁管規(guī)格φ45mm×5.2mm，材質(zhì)為SA210-A1，管型為內(nèi)螺紋管。水冷壁額定工作壓力為20.19MPa，工作溫度350℃。經(jīng)確認，該處水冷壁管于2013年5月進行了整體管排更換。

一、檢驗內(nèi)容和方法

圖1 水冷壁破口整體形貌

圖2 水冷壁破口內(nèi)壁形貌

2.材料化學(xué)成分分析

取向火面試樣進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。試樣材質(zhì)符合AST M標準SA210-A1鋼管化學(xué)成分的規(guī)定。

表1 水冷壁管試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果

3.水冷壁管微觀組織分析

（1）微觀形貌分析（未腐蝕）

垢下蝕坑區(qū)域存在數(shù)量較多的微裂紋（圖3），裂紋沿晶界發(fā)展。破口邊緣的管壁有很多的微裂紋，分布較深。而背火面內(nèi)壁未見明顯的微裂紋。同時水冷壁管材組織中也未見明顯的夾雜物等缺陷。

（2）組織形貌分析（硝酸酒精溶液腐蝕）

向火面蝕坑區(qū)域內(nèi)壁微觀組織為鐵素體＋珠光體，為20G正常組織，珠光體形態(tài)保持較好，組織基本沒有發(fā)生劣化（圖4）。未腐蝕微觀組織中所發(fā)現(xiàn)的向火面內(nèi)壁存在的大量微裂紋，在腐蝕后已經(jīng)看不清楚，這是由于微裂紋都是沿晶的，樣品腐蝕后，被晶界所覆蓋。

4.斷口形貌掃描電鏡分析

通過對斷口形貌的掃描電鏡觀察和分析，斷口具

1.水冷壁破口的宏觀形貌

破口發(fā)生在向火面，長約130mm，最寬處約10mm，破口起始于焊口上方20mm處，邊緣未見明顯的塑性減薄，宏觀形貌呈現(xiàn)較明顯的脆性開裂特征（圖1）。破口內(nèi)壁一側(cè)有明顯的腐蝕減薄區(qū)，另一側(cè)有明顯的腐蝕物積垢層（圖2），去掉積垢層，即可見與減薄區(qū)相似的特征，說明該管段在運行時開裂部位產(chǎn)生了明顯的腐蝕積垢現(xiàn)象。另外，管內(nèi)壁焊接處有明顯突起的焊瘤存在。有明顯沿晶脆斷特征，晶界存在有明顯的沿晶二次裂紋（圖5）。為典型的脆性斷口。

圖3 向火面內(nèi)壁微觀形貌（×200）

圖4 向火面內(nèi)壁組織形貌（×200）

圖5 斷口掃描電鏡形貌分析

二、水冷壁管失效原因綜合分析

1.水冷壁管破壞機制分析

鍋爐受熱面管失效多數(shù)由以下因素引起的：管材質(zhì)量、短時超溫、長時超溫、機械磨損、腐蝕與氧化、氫損傷等，還可能是以上幾種因素共同作用的結(jié)果。

本次爆管的水冷壁管段向火面管材內(nèi)壁附著有一層較厚的積垢，有的部位垢層已脫落。垢層脫落區(qū)域的管材壁厚已經(jīng)因腐蝕嚴重減薄。

從微觀組織分析，向火面垢層管材內(nèi)壁有許多的沿晶裂紋，且破口裂紋周圍存在大量的微裂紋，根據(jù)裂紋特征判定為垢下氫腐蝕所致。

2.水冷壁管垢下腐蝕機制分析

水冷壁管在高溫下工作，水蒸汽與鐵元素接觸發(fā)生如下反應(yīng)：

正常情況下，反應(yīng)生成的[H]將被循環(huán)的水、水蒸汽帶走，不會滲透到水冷壁管材中，生成的Fe3O4覆蓋在水冷壁管的內(nèi)表面，形成致密的保護膜，有效抑制管材腐蝕。

而當(dāng)運行工況出現(xiàn)異常時，情況會發(fā)生變化。由于焊接突兀或凹陷的焊縫使平滑的爐管表面出現(xiàn)的幾何形狀不連續(xù)，水循環(huán)在此處發(fā)生紊流，破壞了保護膜的形成，同時此區(qū)域成為各種垢、鹽等物質(zhì)的沉積場所，而積垢又為氫原子聚集提供了條件。如[H]不能很快被水、水蒸汽帶走就會造成水冷壁管氫腐蝕。本分析管段正是由于焊接處焊瘤的存在，導(dǎo)致焊縫附近嚴重積垢，進而產(chǎn)生氫腐蝕。

氫腐蝕是一種脫碳過程。在水冷壁管內(nèi)表面，氫原子通過晶界向鋼材內(nèi)擴散，這些固溶于鋼中的氫原子和鋼中的碳化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

上述反應(yīng)均生成甲烷CH4，聚集在晶界原有的微觀空隙內(nèi)。隨著反應(yīng)不斷進行，氣體在局部形成的內(nèi)壓力逐漸增高，于是晶界發(fā)生開裂，形成微裂紋，使鋼的性能急劇降低，局部承載能力大為降低。當(dāng)管壁的有效厚度不足以承受內(nèi)壓，水冷壁管產(chǎn)生破口泄漏。

三、結(jié)語

水冷壁管的泄漏失效主要原因是氫腐蝕造成的，而管內(nèi)壁向火面焊縫處造成大量結(jié)垢是造成氫腐蝕損傷的前提和基礎(chǔ)。

首先，建議停爐時對工況條件類似的水冷壁管進行檢查，特別是高熱負荷區(qū)焊縫附近管段，及早發(fā)現(xiàn)此處萌生的缺陷。其次，為了提高內(nèi)螺紋水冷壁管內(nèi)壁抗腐蝕能力，水冷壁管在焊接時應(yīng)嚴格執(zhí)行相關(guān)標準，避免因接頭質(zhì)量問題而引起積垢。第三，加強水質(zhì)監(jiān)督，檢測，確保爐水的水質(zhì)滿足相關(guān)標準的要求。

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