某電廠水冷壁管氫致應力腐蝕泄漏原因分析

田 澤，余建飛，熊 宇，葉建鋒

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077）

某電廠水冷壁管氫致應力腐蝕泄漏原因分析

田 澤1，余建飛1，熊 宇2，葉建鋒1

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077）

某電廠一臺超臨界鍋爐水冷壁管在檢修中發現3處穿透裂紋，裂紋位于水冷壁管排安裝拼接焊縫附近。水冷壁管常見泄漏原因包括超溫、腐蝕減薄和磨損減薄等。通過DR、金相和電鏡等方法分析了該水冷壁管的開裂原因，發現氫致應力腐蝕是管壁泄漏的原因，氫致應力腐蝕使材料在沒有發生明顯變形減薄的情況下發生低應力脆性開裂，開裂前無征兆，危害很大。

水冷壁管；泄漏；應力腐蝕；氫腐蝕；超臨界鍋爐

0 引言

某電廠一臺鍋爐由北京巴布科克·威爾科克斯有限公司設計制造的型號為B&WB-1900/25.4-M的超臨界鍋爐，該鍋爐為W火焰燃燒方式、垂直爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、露天布置的Π型鍋爐。整個爐膛由下部垂直水冷壁和上部垂直水冷壁構成，上下水冷壁均采用膜式全焊接結構，由鋼管和扁鋼制成。上爐膛深度9 350 mm，下爐膛深度16 550 mm，爐膛寬度31 813 mm，總高54 126 mm。下爐膛水冷壁全部采用了材質為SA213T12的優化多頭內螺紋管，管子規格為Φ35 mm×6 mm。水冷壁管排在2015年4月19日發生一起泄漏事故。2017年4月20日，電廠工作人員現場檢查發現，水冷壁管排波浪扭曲變形嚴重，局部區域管段出列明顯，在標高41 m處前墻水冷壁中間區域、鍋爐安裝時管排拼接焊縫上方附近有3處管子裂紋。水冷壁管開裂泄漏原因通常有短時超溫[1]和長期超溫[2]、腐蝕減薄[3]和磨損減薄[4]等。本文通過宏觀檢查、DR、金相檢查和電子顯微鏡等方法，詳細分析了該鍋爐水冷壁泄漏的原因。

1 泄漏原因分析

1.1 宏觀檢查結果及分析

對該廠的3根水冷壁管樣進行宏觀檢查，如圖1所示，水冷壁管向火面無明顯腐蝕減薄和磨損減薄，從西向東第310根管表面有修補焊縫1處，存在明顯彎曲變形；從西向東第328根水冷壁管向火面有穿透性裂紋，裂紋附近無鼓包、皸裂現象和明顯的塑性變形。

圖1 管樣宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the pipe sample

水冷壁管發生腐蝕減薄泄漏時，管壁將產生大量的腐蝕產物，如果該處煙氣流速較快，該處可能無腐蝕產物聚集殘留，但管壁會發生明顯減薄，當管壁厚度小于理論最小壁厚時，發生爆管泄漏。發生腐蝕減薄泄漏時，泄漏點的剩余壁厚會明顯小于正常的壁厚，該水冷壁管開裂處的壁厚和其它位置的基本一致，可以排除由于腐蝕減薄導致的管壁泄漏。

水冷壁管發生磨損減薄泄漏時，泄漏點處煙氣流速大、煙氣流向正對管壁或者接近正對，煙氣對管壁產生強烈的沖刷，導致該處管壁的減薄速率遠高于其它區域，當管壁厚度小于理論最小壁厚時，發生爆管泄漏。發生磨損減薄泄漏時，泄漏點的剩余壁厚會明顯小于公稱壁厚，而該水冷壁管開裂處的壁厚和其它位置的基本一致，可以排除由于磨損減薄導致的水冷壁泄漏。

水冷壁管發生短時超溫時，水冷壁管短時間內在遠高于許用溫度下運行，材料的屈服強度迅速下降，當材料的屈服強度小于該處介質產生的應力時，管壁產生鼓包并發生顯著減薄，最后管壁破裂。短時超溫爆管爆口呈“唇形”，爆口處壁厚明顯減薄，爆口處材料老化級別明顯高于其它未超溫管段，而該處水冷壁管無明顯老化、鼓包和減薄現象，因此排除由于短時超溫減薄導致的水冷壁泄漏。

水冷壁管發生長期超溫時，水冷壁管在略高于材料許用溫度下長時間運行，材料的屈服強度短時間內不發生明顯變化，但材料的老化速度加快，在未達到材料設計使用壽命時，材料的老化程度超標，材料高溫屈服強度降低，材料從表面開始產生蠕變裂紋，即“皸裂”現象。發生長期超溫爆管泄漏時，泄漏點有明顯皸裂現象，超溫管段材料均勻球化，超出標準要求。而該處水冷壁管無皸裂和球化超標現象，因此排除由于長期超溫導致的水冷壁泄漏。

2 DR檢查結果及分析

對管樣進行DR檢查，如圖2和圖3所示，DR檢查結果發現管樣內壁存在大量裂紋，管1共發現裂紋4條，裂紋沿水冷壁管內螺紋的旋轉方向。管2為宏觀檢查有明顯彎曲變形的管子，共發現橫向裂紋5條，裂紋之間方向基本平行；沿內螺紋的旋轉方向裂紋2條。管3為彎管，發現裂紋4條，裂紋方向沿內螺紋的旋轉方向。

3根管樣均發現螺旋裂紋，裂紋規則排列，說明管壁受到宏觀拉應力或存在沿螺旋方向的應力集中。管樣2發現的橫向裂紋位于管壁內螺紋之間，橫向裂紋兩端或者一端有沿螺旋線方向的裂紋，而其它有螺旋裂紋的地方并無橫向裂紋，這說明橫向裂紋是螺旋裂紋在軸向拉應力作用下改變擴展方向形成的。管樣2較大的彎曲變形證明水冷壁管存在較大的軸向應力。

圖2 直管樣DR檢測結果Fig.2 DR test results of the straight pipe sample

圖3 彎管樣DR檢查結果Fig.3 DR test results of the bend pipe sample

為進一步確認裂紋的形態和擴展方向，將水冷壁管沿鰭片根部的軸線方向剖開。在長度50 mm的管樣上，發現1處大裂紋和1處小裂紋，如圖4(a)所示，對比DR檢查結果，DR未發現小裂紋。這說明DR檢查結果存在一定量的漏檢量，水冷壁管實際裂紋數量要大于DR檢查的裂紋數量。螺旋裂紋在內表面上，裂紋沿內螺紋根部擴展；橫截面方向上，裂紋沿徑向擴展，裂紋深度約3.5 mm。裂紋沿內螺紋根部擴展原因如下，螺旋線方向雖然不是外加載荷最大的方向，但螺紋根部結構突變，應力集中系數大，應力水平卻可能最高。另外，內螺紋根部易集聚腐蝕介質，產生腐蝕開裂。

圖4 管樣內壁裂紋形貌Fig.4 Macro morphology of crack inside the pipe sample

沿軸線方向對裂紋試樣進行切割，如圖4(a)所示。裂紋擴展路徑如圖4(b)所示，從內螺紋根部萌生，在內表面沿螺旋線方向擴展。在深度方向上，沿螺旋線方向開始，在軸向拉應力作用下，轉變為沿徑向擴展。

3 金相檢查結果及分析

取彎管和直管向火面進行珠光體球化評級，如圖5所示。直管向火面珠光體球化級別為3級，彎管向火面珠光體球化級別為3級，滿足DL/T 787－2001《火力發電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標準》要求。

圖5 管樣珠光體球化級別Fig.5 Spheroidization of pearlite of the pipe sample

為進一步觀察裂紋產生及擴展機理，采用大倍數顯微鏡觀察，裂紋尖端前沿尖銳，裂紋尖端區域有孔洞，孔洞的腐蝕程度不同，有腐蝕產物孔洞如圖6（a）所示，無腐蝕產物孔洞如圖6（b）所示。與裂紋同一截面的其它位置存在尺寸不同的圓形孔洞，如圖7所示，大孔洞尺寸約為120 μm左右，孔洞內未見腐蝕產物。

圖6 裂紋前端微觀形貌Fig.6 Micrograph morphology of crack tip

圖7 管樣基體微觀形貌Fig.7 Micrograph morphology of pipe sample

在裂紋旁和裂紋尖端附近基體中存在大量圓形孔洞，圖8所示，孔洞成群分布，無腐蝕產物，孔洞和裂紋未接觸和貫通，這說明孔洞是在裂紋開裂前產生或兩者獨立產生。在裂紋尖端前沿和裂紋中部邊緣，普遍存在孔洞缺陷，有腐蝕產物的孔洞全部和主裂紋貫通，這說明水冷壁管孔洞缺陷、裂紋和腐蝕產物的時間順序應為：先產生孔洞缺陷，孔洞缺陷在拉應力的作用下作為裂紋源開裂或者為裂紋擴展提供通道，孔洞開裂后與腐蝕介質接觸產生腐蝕產物。主裂紋旁分支裂紋形貌如圖9所示，主裂紋側壁有多個孔洞缺陷，孔洞黑色區域無腐蝕產物，灰色區域為腐蝕產物，通過分支裂紋和主裂紋相貫通。開裂時間較長的腐蝕產物較多，開裂時間短的腐蝕產物少，這證明上述“孔洞-裂紋-腐蝕”的過程是合理的。

圖8 裂紋旁管樣基體孔洞缺陷形貌Fig.8 Macro morphology of pipe sample near the crack

圖9 分支裂紋微觀形貌Fig.9 Micrograph morphology of branch crack

用5%硝酸酒精侵蝕，電子顯微鏡下觀察，金相組織和裂紋形貌如圖10所示。主裂紋側壁存在大量分支裂紋，主裂紋側壁覆蓋一層腐蝕產物，如圖11所示。

圖10 主裂紋旁分支裂紋形貌Fig.10 Micrograph morphology of branch crack near the main crack

圖11 裂紋中部腐蝕產物Fig.11 Corrosion products in the middle of the crack

在主裂紋尖端，腐蝕產物未連續分布，如圖12所示，這是由于裂紋開裂時間較短，晶界沒有足夠時間形成連續的腐蝕產物。

圖12 主裂紋腐蝕產物Fig.12 Corrosion products of crack tip

氫腐蝕[5]多發生在爐膛熱負荷較高區域的水冷壁管向火面；氫腐蝕形成的氫損傷，斷口呈脆性斷裂，斷口平整，無明顯塑性變形；發生氫腐蝕部位溫度高，常伴有氧腐蝕；氫腐蝕部位鋼材內表面有大量微裂紋并且裂紋表面附近的鋼材有脫碳現象；發生氫腐蝕部位向火面一般有溝槽等結構。

高溫下的氫損傷[6]主要有氫脫碳和氫腐蝕，氫脫碳是指在高溫下，金屬表面接觸到氫氣的情況下，鋼表面的碳或者碳化物會與氣體中的氫發生反應，鋼的表面發生脫碳現象。氫腐蝕是指在高溫高壓下，氫進入到金屬的內部，引起金屬組織發生變化導致金屬的力學性能下降。嚴格來講氫腐蝕應該包括表面脫碳，但脫碳一般只發生在表面，氫腐蝕是氫滲透到金屬內部破壞材料的性能，后果更嚴重。例如溶入鋼中的氫原子和碳發生如下反應，生成甲烷：

生成的甲烷氣體在空穴中聚集形成鼓泡。如果晶界碳化物較多，則反應主要發生在晶界上，對鋼材產生和晶間腐蝕一樣的作用。而且生成的甲烷氣體具有很高的壓力，能直接導致晶界微裂紋的形成。

氫壓理論[7]則認為，原子氫性質非常活潑，在15CrMo鋼中會擴散溶解于基體中，在溫度降低后，氫會在不均勻處結合成分子氫，從而產生巨大的內應力，內應力疊加外加應力造成氫致裂紋的產生和擴展。

綜上所述，結合金相、電鏡檢查發現的水冷壁管基體和裂紋附近存在很多密集孔洞缺陷，以及水冷壁管的運行情況，可以判斷該水冷壁管泄漏原因為氫致應力腐蝕開裂。

4 結論

（1）通過對開裂泄漏的水冷壁管樣品檢查分析，排除短期超溫、長期超溫、腐蝕減薄和磨損減薄等原因導致開裂泄漏。從3根送樣的情況來看，該廠水冷壁管內壁存在大量的裂紋，裂紋沿內螺紋根部延伸，在局部管排變形嚴重處，較大的軸向應力造成螺旋裂紋轉變為橫向裂紋。

（2）水冷壁管內壁有黑色垢層，螺紋根部結垢較多，容易產生局部腐蝕環境。

（3）水冷壁管管壁高溫高壓下發生氫腐蝕，在管壁基體中生成氫氣孔或甲烷氣孔，在管壁中產生密集孔洞。密集的孔洞缺陷不僅破壞材料的連續性和降低承載能力，還會為裂紋提供擴展通道，加快裂紋擴展速度。

（4）發生氫腐蝕的同時，產生的氫氣或甲烷會造成巨大的拉應力，和管壁外加應力疊加，導致材料在無明顯塑性變形的情況下發生開裂。

（5）水冷壁管在運行過程中，管壁內螺紋根部應力集中系數大，局部的高應力水平更容易加快氫致應力腐蝕的進程。

（References）

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Analysis of Hydrogen-induced Stress Corrosion Leakage in Water Cooling Wall of a Power Plant

TIAN Ze1,YU Jianfei1,XIONG Yu2，YE Jianfeng1
（1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.Hubei Fangyuan Dongli Electric Power Science Research Limited Company,Wuhan Hubei 430077,China)

Three penetrating cracks are found in the water wall tubes of a power plant supercriti?cal boiler during maintenance,the crack is located near the water cooling wall tubes welding seam.The common leakage causes of water wall tube include overtemperature,corrosion reduction and wear reduction etc.In this paper,the reason of the leakage of the water cooling wall tube is found by means of DR,metallography,electron microscopy etc.The stress corrosion of hydrogen causes the material to occur low stress brittle cracking without obvious deformation and thinning.This form of cracking has no earlier signs and is very harmful.

water cooling wall tube;leakage;stress corrosion;hydrogen corrosion;supercritical boiler

TM621.2

A

1006-3986(2016)12-0033-05

10.19308/j.hep.2016.12.008

2016-11-09

田 澤（1985），男，山西長治人，碩士，工程師。