熱電廠鍋爐水冷壁泄漏原因分析

王立坤

（中國石油獨山子石化分公司壓力容器檢驗所,新疆克拉瑪依 833699）

1 問題

已連續運行15年的某熱電廠2號鍋爐水冷壁管發生開裂，造成停非計劃停爐。水冷壁管規格Φ60 mm×5 mm，材料20G。泄漏處標高12 m，為爐子西側，距北面火嘴第十五根，見圖1。加熱爐工作壓力10 MPa，正常工作溫度360℃。發生泄漏至爐熄滅時長 3～4 min。

圖1 爆口位置

2 檢驗情況

2.1 宏觀檢驗

爆口呈魚眼狀（圖2），爆口區域軸向長度100 mm，寬 35 mm，爆口附近有明顯的塑性變形，邊緣明顯減薄。爆口附近管段明顯脹粗，測量距爆口邊緣150 mm處水冷壁管大外徑為 65.38 mm，壁厚5 mm。測量泄漏水冷壁管同一高度范圍的其他水冷壁管，未發現減薄情況。

圖2 爆口形貌

2.2 開爐狀態溫度測量

開爐時，使用紅外測溫儀測量2號鍋爐火焰中心溫度600℃，火焰附近迎火面水冷壁管溫度500℃。

2.3 成分分析

在水冷壁管上切取管段壓扁后打磨制成光譜分析樣品，按照GB/T 4336—2016碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法），使用德國 SPECTRO Lab.型固定式直讀光譜儀對樣品進行光譜分析，分析結果見表1。由表1測量值可知該水冷壁管的元素含量基本符合GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中20G的要求。

表1 水冷壁管成分含量

2.4 硬度檢驗

使用430SVD數顯維氏硬度計按照GB/T 4340.1—2009金屬材料 維氏硬度試驗方法對水冷壁管進行硬度檢測。檢驗位置選擇在圖3中標記的4個部位及爆口處水冷壁管橫截面。在選取的部位分別檢驗迎火面和背火面，檢驗結果見表2。爆口附近檢測部位見圖4。

圖3 取樣檢測部位

2.5 拉伸試驗

使用新三思60 tSHT4605微機控制電液伺服萬能試驗機，按照GB/T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法對開裂爐管進行拉伸試驗。取樣位置在圖5所示 1#～2#位、3#～4#位、爆口與3#位，分別取迎火面和背火面拉伸試樣，標記為拉伸-1、拉伸-2和拉伸-3。拉伸試驗結果見表3。

圖4 爆口附近硬度檢測部位

表 2 硬度檢測結果/HV10

表3 拉伸試驗結果

由表3試驗結果可知，水冷壁管迎火面抗拉強度均高于背火面，越靠近爆口管子的抗拉強度越低，塑性也越低。其力學性能指標符合GB/T 5310—2008中對20G的要求。

2.6 金相檢驗

使用蔡司Axio ImagerA 2m型研究級正立智能數字萬能材料顯微鏡及圖像分析系統，按照GB/T 13298—2015金屬顯微組織檢驗方法在圖5所示4個位置分別取迎火面和背火面金相試樣，進行檢驗。經檢驗水冷壁管基體金相組織為鐵素體+珠光體［1］，各部位的珠光體球化程度不同。

圖5 拉伸試樣取樣位置及編號

（1）參照圖6（a迎火面、b背火面），1#位置迎火面珠光體區域中的碳化物開始分散，珠光體形態明顯，局部區域珠光體中的碳化物已分散，并逐漸向晶界擴散，按DL/T 674—1999 20號鋼珠光體球化評級標準珠，珠光體球化度等級為2.5級，見圖6a。背火面珠光體區域中的碳化物開始分散，珠光體形態明顯，珠光體球化度等級為2級，見圖6b。

圖6 1#位置金相組織（500×）

（2）參照圖7（a迎火面，b背火面）,2#位置迎火面珠光體區域中的碳化物開始分散，珠光體形態明顯，局部區域珠光體中的碳化物已分散，并逐漸向晶界擴散，珠光體球化度等級為2.5級，見圖7a。2#位置背火面珠光體區域中的碳化物開始分散，珠光體形態明顯，球化度等級為2級，見圖7b。

圖7 2#位置金相組織（500×）

（3）參照圖8（a迎火面，b背火面）,3#位置迎火面珠光體區域中的碳化物已明顯分散，并向晶界聚集，珠光體形態尚保留，局部區域珠光體形態消失，晶界及鐵素體基體上的球狀碳化物已逐漸長大，珠光體球化度等級為4.5級，見圖8a。3#位置背面珠光體形態明顯，局部區域珠光體中的碳化物已分散，并逐漸向晶界擴散，珠光體球化度等級為2.5級，見圖8b。

圖8 3#位置金相組織（500×）

（4）參照圖9（a迎火面，b背火面）,4#位置取迎火面珠光體區域中的碳化物已明顯分散，并向晶界聚集，珠光體形態尚保留，局部區域珠光體形態消失，晶界及鐵素體基體上的球狀碳化物已逐漸長大，珠光體球化度等級為4.5級，見圖9a。4#位置背面珠光體區域中的碳化物開始分散，珠光體形態明顯，局部區域珠光體中的碳化物已分散，并逐漸向晶界擴散，珠光體球化度等級為2.5級，見圖9b。

圖9 4#位置金相組織（500×）

（5）在爆口處取迎火面試樣，其金相組織為鐵素體+類珠光體，組織在開裂過程中被嚴重拉長，晶粒長短軸比約為11∶1。組織未發生相變，證明開裂前溫度未超過材料Ac1線，原珠光體形貌基本消失，原珠光體區域內僅可見顆粒狀碳化物，珠光體球化嚴重，見圖10。在材料內部可見一處沿鐵素體晶界被拉長的夾雜物，沿著夾雜物尖端產生裂紋，見圖11，12。

2.7 金相檢驗結果分析

材料失效前發生了大量的塑性變形，屬于塑性開裂。管子化學成分和力學性能符合GB 5310—2008中20G要求。通過對開爐期間溫度測量，火嘴附近水冷壁管迎火面表面溫度未超過材料的Ac1線，但爐膛內火焰附近水冷壁管工況較其他部位更惡劣，這與開裂部分金相組織劣化、力學性能下降情況相符合。開裂發生在硬度值最低和抗拉屈服強度最低部位，這與金相檢驗此部位珠光體球化最嚴重情況互相印證。金相檢驗結果顯示3#，4#位置及爆口區域迎火面珠光體嚴重球化，按DL/T 674—1999 20號鋼珠光體球化評級標準珠評為4.5級，這與拉伸試驗和硬度試驗結果互相符合。爆口處組織明顯被拉伸，發生過嚴重的塑性變形導致加工硬化，使該處硬度最高處接近200 HV10。

圖10 爆口尖端組織（1000×）

圖11 爆口尖端附近夾雜物（200×）

圖12 夾雜物尖端裂紋擴展情況（1000×）

3 檢驗綜合分析

綜合各檢驗結果，爆口兩側硬度值和拉伸強度指標都出現了明顯變化，說明開裂位置出現在力學性能交界位置。1#，2#位置金相組織球化度較輕，而3#，4#位置球化度嚴重，在同一工況相距僅1 m的位置有如此差距，與該爐火嘴位置布置有關。開爐時，監測火嘴附近水冷壁迎火面表面溫度500℃左右，在運行的20 a里長期受火焰近距離加熱，珠光體嚴重球化，力學性能嚴重下降爆口附近迎火面抗拉強度下降到430 MPa，屈服強度下降到291 MPa，與組織正常部分相比下降超過了100 MPa。特別是這種劣化后的組織高溫力學性能也會降低。而12 m標高范圍內其他部位迎火面水冷壁管表面溫度基本在400℃左右，工況好于火嘴附近。這也是造成水冷壁管在火嘴區域迎火面組織球化嚴重的原因。同時，這種工況也是造成硬度和拉伸強度指標發生變化的原因。特別是在爆口區域發現材料內部有原始的缺陷存在，使該區域力學性能進一步下降。開爐時，由于進煤和送風配合不當，造成火焰切圓偏燒，火焰直接撲向水冷壁管，管壁溫度短時間快速升高，高溫力學性能不足，在內部介質壓力作用下最終導致了開裂的發生。

4 結論及建議

火嘴附近水冷壁管長期受火焰灼燒使材料組織發生嚴重球化，力學性能下降，材料內部存在原始缺陷進一步降低了材料的力學性能，開爐時爐內火焰偏燒導致了水冷壁管開裂。建議：①在停爐期間對火嘴附近水冷壁管進行檢驗，對組織劣化管段進行更換；②規范開爐操作工藝，保證火焰在爐膛中心，防止火焰偏燒。

［1］賀徙，馬驍，金解平，等.鍋爐冷灰斗水冷壁彎管裂紋缺陷的分析處理［J］.電力科學與技術學報，2009，24（3）：82-85.

［2］GB/T 228.1—2010，室溫試驗方法［S］.

［3］GB/T 13298—2015，金屬顯微組織檢驗方法［S］.

［4］GB/T 4340.1-2009，試驗方法［S］.