1000MW超超臨界機組前墻垂直水冷壁管開裂失效分析

劉天佐，陳冠興，魏玉忠

1華電國際電力股份有限公司；2國家電網濰坊供電公司；3華電國際鄒縣發電廠

1000MW超超臨界機組前墻垂直水冷壁管開裂失效分析

劉天佐1，陳冠興2，魏玉忠3

1華電國際電力股份有限公司；2國家電網濰坊供電公司；3華電國際鄒縣發電廠

本文針對1000MW超超臨界機組前墻垂直水冷壁管出現開裂問題，進行了一系列理化試驗，包括拉伸、沖擊、金相、掃描電鏡觀察等，最終確定此次裂紋開裂性質：垂直水冷壁管所承受交變熱應力和結構應力，是導致垂直水冷壁管發生熱疲勞裂紋失效的主要原因。

超超臨界機組；垂直水冷壁；熱疲勞裂紋；失效分析

1.概述

某1000MW超超臨界機組，鍋爐采用單爐膛，倒U型布置，平衡通風，一次中間再熱，前后墻對沖燃燒，尾部雙煙道，復合變壓運行，超超臨界本生直流爐。鍋爐出口蒸汽參數為26.25MPa/605℃/ 603℃，對應汽機的入口參數25.0MPa/600℃/600℃，汽機額定功率1000MW，對應汽機VWO工況的鍋爐的最大連續蒸發量為3033t/ h。鍋爐爐膛總高度（水冷壁進口集箱至頂棚）為64m，爐膛由下部內螺紋管螺旋水冷壁和上部垂直上升水冷壁組成，兩者間由中間混合集箱轉換連接，螺旋水冷壁的高度約為43m。其中前墻水冷壁管規格為31.8×7.5，材料為SA-213T12，節距63.5mm；膜式扁鋼厚為9mm，材料為12Cr1MoV，采用雙面坡口型式。

垂直水冷壁管運行期間發生泄漏，經檢查后發現左邊第7只聯箱左邊第一根管出現泄漏，左邊第6只聯箱右邊第一根管出現內裂紋，位置位于垂直水冷壁出口聯箱下部400mm處。檢驗管樣為內裂紋管段（編號為6#）和泄漏管段（編號為7#）。

圖1-1 水冷壁系統結構示意圖

2.試驗

2.1 試驗方法

根據測試和分析工作需要，失效分析人員對送檢管樣分別進行了宏觀檢查、化學成分分析、拉伸性能試驗、金相檢驗、硬度試驗和斷口分析，取樣位置如圖2-1所示。其中：

1）宏觀檢查：對送檢管樣進行宏觀檢查，包括裂紋形貌、管內外壁情況，并進行拍照記錄。

2）化學成分分析：在送檢管樣上取樣進行化學成分分析。測試標準為GB/T 20123-2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應爐燃燒后紅外線吸收法》和GB/T 20125-2006《低合金鋼多元素含量的測定電感耦合等離子體原子發射光譜法》。

3）拉伸性能試驗：在送檢管樣取樣進行室溫拉伸試驗，在日本島津AG-IC 100kN精密電子萬能材料試驗機上進行拉伸性能試驗。測試標準為GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》。

4）金相檢驗：在送檢管樣裂紋附近截取試樣進行金相組織檢驗、非金屬夾雜物測定等實驗。

金相組織檢驗：在裂紋附近橫截面上截取試樣進行低倍組織檢驗。檢測標準為GB/T 226-1991《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》。

非金屬夾雜物檢驗：對送檢管樣裂紋附近截取其縱向剖面采用金相法進行檢驗。檢測標準為GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標準評級圖顯微檢驗法》。

5）硬度試驗：在送檢管樣進行布氏硬度試驗，布氏硬度試驗在橫向金相檢驗面上進行，測試設備為HBS-3000型數顯布氏硬度計，試驗條件：負荷187.5kgf，負荷保持時間10s。測試標準為GB/ T 231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》。

6）斷口分析：將斷口打開，分別對斷口進行宏觀特征、微觀特征觀察，微觀特征采用TESCAN VEGA TS5136XM掃描電鏡進行觀察分析。測試標準為JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

7）能譜分析：對裂紋內部疑似氧化產物進行能譜分析，試驗儀器為Oxford能譜儀，測試標準為JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

圖2-1 取樣位置示意圖

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 宏觀檢查

宏觀檢查發現：6#和7#管之間膜式扁鋼沿管路方向已完全斷裂，從裂紋吻合程度可以看出，啟裂位置位于管蒸汽入口側。6#和7#管蒸汽入口側橫向截面處均發現裂紋，其中6#管內壁存在沿管徑方向裂紋，裂紋位于背火側，7#管向火側存在沿管徑方向的貫穿性裂紋。

送檢管內壁均有多條相互平行的直線型軸向裂紋，斷續成束，裂紋開口較寬，且沿裂紋長度方向的外形不規則。

圖2-2 送檢管宏觀檢查結果

2.2.2 化學成分分析

化學成分分析結果如表2-1所示。結果表明送檢管成分均滿足ASTM A213/A213M-2011 Standard Specification for Seamless Fer?ritic and Austenitic Alloy-Steel Boiler,Superheater,and Heat-Ex?changer Tubes對T12鋼化學成分的要求。

表2-1 送檢管化學成分分析結果

2.2.3 拉伸性能試驗

室溫拉伸試驗結果如表2-2所示。結果表明送檢管的室溫拉伸性能滿足ASTM A213/A213M-2011對于T12鋼的性能要求。

表2-2 送檢管室溫拉伸性能試驗結果

2.2.4 硬度試驗

硬度試驗結果見表2-3。結果表明送檢管的硬度值滿足ASTM A213/A213M-2011對于T12鋼的性能要求。

表2-3 硬度試驗結果

2.2.5 金相檢驗

2.2.5.1 金相組織檢驗

送檢管橫向金相圖片如圖2-3~2-4所示，金相檢驗結果如表2-4所示。

表2-4 送檢管金相檢驗結果

圖2-3 6#送檢管金相組織

圖2-4 7#送檢泵軸非金屬夾雜物

圖2 -5 7#送檢管非金屬夾雜物

2.2.5.3 送檢管裂紋處金相檢驗

送檢管裂紋處金相檢驗結果如圖2-6~2-7所示。結果表明送檢管的橫截面內壁存在較多裂紋，裂紋均沿壁厚方向向外壁擴展，裂紋開口處和中部均較寬，裂紋尖端圓鈍，其中7#管存在貫穿性裂紋；裂紋開口邊緣和中部覆蓋有較多氧化產物，裂紋尖端氧化產物較少；部分裂紋尖端分叉，裂紋為穿晶開裂；管內壁存在深淺不一的裂紋。

圖2-6 6#送檢管裂紋處金相檢驗結果

圖2-7 7#送檢管裂紋處金相檢驗結果

表2 -5裂紋掃描電鏡觀察及能譜分析結果

2.2.6 斷口分析

7#管斷口邊緣存在較多凹坑，斷面附著一層較厚的氧化產物，裂紋啟裂于管內壁區域，啟裂處較為光滑，邊緣存在多處徑向臺階，裂紋擴展區可見疲勞弧線，終斷區有輕微的塑性變形，有氧化和磨損特征。

2.2.7 能譜分析

結果表明，裂紋尖端邊緣處氧化物主要成分為Fe和O，裂紋起始段氧化物除了Fe和O元素外還含有少量的Si和Cr等。（表2-5）

通過對送檢管開展上述宏觀檢查、理化性能檢驗及微觀分析，匯總試驗結果如下：

1）宏觀檢查發現，6#和7#管之間膜式扁鋼沿管路方向已完全斷裂，從裂紋吻合程度可以看出，啟裂位置位于管蒸汽入口側。6#和7#管蒸汽入口側橫向截面處均發現裂紋，其中6#管內壁存在沿管徑方向裂紋，裂紋位于背火側，7#管向火側存在沿管徑方向的貫穿性裂紋。送檢管內壁均有多條相互平行的直線型軸向裂紋，斷續成束，裂紋開口較寬，且沿裂紋長度方向的外形不規則；

2）化學成分分析結果表明送檢管成分均滿足ASTM A213/ A213M-2011對T12鋼化學成分的要求；

3）室溫拉伸試驗結果表明送檢管的室溫拉伸性能滿足ASTM A213/A213M-2011對于T12鋼的性能要求；

4）硬度試驗結果表明，結果表明送檢管的硬度值滿足ASTM A213/A213M-2011對于T12鋼的性能要求；

5）金相檢驗結果表明，送檢6#管金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度7-9級，7#管金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度8-9級；6#送檢管非金屬夾雜物類型及等級為D1.5，6#送檢管非金屬夾雜物類型及等級為D2；送檢管裂紋處金相檢驗結果表明送檢管的橫截面內壁存在較多裂紋，裂紋均沿壁厚方向向外壁擴展，裂紋開口處和中部均較寬，裂紋尖端圓鈍，其中7#管存在貫穿性裂紋；裂紋開口邊緣和中部覆蓋有較多氧化產物，裂紋尖端氧化產物較少；部分裂紋尖端分叉，裂紋為穿晶開裂；管內壁存在深淺不一的裂紋；

6）通過對斷口的微觀分析可以看出，所送7#管斷口邊緣存在較多凹坑，斷面附著一層較厚的氧化產物，裂紋啟裂于管內壁區域，啟裂處較為光滑，邊緣存在多處徑向臺階，裂紋擴展區可見疲勞弧線，終斷區有輕微的塑性變形，有氧化和磨損特征；

7）能譜分析結果表明，裂紋內部邊緣處氧化物主要成分為Fe和O，裂紋起始段氧化物除了Fe和O元素外還含有少量的Si和Cr等。

3.分析與討論

綜上理化檢驗結果分析，送檢管的化學成分、室溫拉伸性能、硬度均滿足標準ASTM A213/A213M-2011對T12鋼的要求。金相組織珠光體區域明顯，珠光體中的碳化物未見分散，組織上未見超溫和老化現象。因此，可排除因材質不合格或超溫老化引起的開裂。

其次，通過對送檢管宏觀檢查等試驗得知，管內壁存在多處深淺不一、相互平行的直線型裂紋，裂紋尖端圓鈍，從裂紋形貌來看，為典型的熱疲勞裂紋特征。裂紋內部充滿灰色氧化產物，氧化物的成分主要為Fe和O元素外以及含有少量的Si和Cr等。

再次，從裂紋金相分析得知，7#管貫穿性裂紋為主裂紋，裂紋附近未見明顯的宏觀塑性變形，且斷口邊緣存在多處徑向臺階，裂紋擴展區可見疲勞弧線，符合疲勞斷裂特征。

同時，通過對現場情況和運行工況的了解，得知發生泄漏的水冷壁管位于第七和第六聯箱間的部位，該位置為應力集中區域，存在較大的結構應力。此外，該機組運行過程中的負荷變化較大，在機組負荷變化過程中，焊接附件處的水冷壁管內壁會產生較高的環向交變應力。同時，機組負荷的變化將導致管內介質密度或位置的變化，使金屬的溫度發生交替變化，金屬也就交替地膨脹或收縮，在金屬內部就會引起交變應力，在這種交變熱應力和結構應力的作用下，引起管塑性變形的積累損傷而產生疲勞裂紋。

綜合分析，送檢管在機組運行過程中，在交變熱應力和結構應力的共同作用下，疲勞裂紋在應力集中區域管段的管內壁處萌生并逐漸擴展，最終貫穿引起泄漏。

4.結論及建議

送檢管所承受交變熱應力和結構應力，是導致送檢管發生熱疲勞斷裂的主要原因。針對以上結論，建議如下：

（1）降低應力集中區的結構應力。對發生開裂泄漏的交變應力集中區域，考慮優化部件結構，盡量降低該區域的結構應力及減小應力集中程度；

（2）降低交變應力。如按照運行規程控制鍋爐起停速率，控制機組變負荷時的速率，減少機組啟停次數，鍋爐負荷不要波動太大等；

（3）對該區域及相同區域的管段擴大抽檢，排查內壁的裂紋情況，對排查發現裂紋的管段及時更換。

[1]ASTM A213/A213M-201，Standard Specification for Seam?less Ferritic and Austenitic Alloy-Steel Boiler，Superheate，and Heat-Exchanger Tubes[S].

[2]梁茂春等.鄒縣電廠四期工程鍋爐水冷壁系統設計及結構特點[J].山東電力，2007（04）:56-59.