電站鍋爐15CrMo鋼水冷壁管橫向裂紋成因分析

戶如意

（西安工業大學材料與化工學院，陜西西安710021）

0 引言

隨著生產發展和人民生活水平不斷提升，電力需求量不斷上升[1]。在這個大趨勢下，電站設備運行中一個越來越突出的問題就是水冷壁管早期失效、開裂引起爆管泄漏。水冷壁管作為電站鍋爐主要的受熱蒸發部件，起著保護爐墻和穩定燃燒的作用。水冷壁管失效泄漏會導致電廠頻繁非計劃停運，成為影響火力發電機組安全運行的重要因素[2]。在超臨界鍋爐、超超臨界鍋爐的運行中，水冷壁管橫向裂紋導致失效泄漏的事故發生最為頻繁[3]，因此電站鍋爐水冷壁管橫向裂紋的成因分析以及防治措施是目前火力發電領域亟待解決的難題。

現階段研究發現，水冷壁管橫向裂紋的產生是熱應力超過其本身的承受能力或熱疲勞引起的。具體導致水冷壁管橫向裂紋的成因較多，如鍋爐運行或設計不當、煙氣側腐蝕。橫向裂紋產生和發展機理復雜，有必要對其進行深入探究。15CrMo鋼作為鉻鉬珠光體型耐熱鋼，在高溫下抗氧化性能好，廣泛應用于過熱器、集箱和水冷壁管等部件。本文選擇具有典型橫向裂紋的15CrMo鋼水冷壁管對其成因進行分析。

1 試驗材料和方法

文中所研究的水冷壁管材質為15CrMo，規格為φ28.6 mm×5.8 mm；出口介質溫度為430℃；運行逾20 000 h后爆管失效。

用相機照相記錄其裂紋的外觀狀態和裂紋斷口；采用KB-3000E硬度計檢測其布氏硬度，載荷為750 kg，負荷保持時間為15 s，鋼球直徑5 mm；用Quanta400HV掃描電鏡對斷口的形貌進行分析，并用相配套能譜儀對裂紋內腐蝕產物的成分進行半定量分析。

2 試驗結果及分析

2.1 水冷壁管裂紋特點

用角磨機打磨掉失效水冷壁管向火側外壁氧化垢層后進行滲透檢測，由失效水冷壁管向火側滲透檢驗結果可以看出，水冷壁管向火側有許多呈橫向分布的裂紋，方向較為平行，在彎曲變形有弧度處橫向開裂格外明顯。

2.2 硬度檢測

水冷壁管向火側和背火側的布氏硬度檢測結果列于表1。結果表明，向火側硬度平均值為HB165.63，背火側硬度平均值為HB138.2，水冷壁管向火側布氏硬度較背火側稍高。依據DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》中15CrMo低合金耐熱鋼布氏硬度HB118～HB180范圍的技術要求，水冷壁管硬度值符合標準要求。

表1 水冷壁管布氏硬度測試結果

2.3 化學成分分析

水冷壁管化學成分分析結果及標準要求值列于表2。依據《鋼鐵及合金化學分析方法》，該水冷壁管化學成分符合GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMo的要求。

表2 15CrMo水冷壁管化學成分分析結果

2.4 掃描電鏡能譜分析

水冷壁管外壁裂紋內腐蝕產物能譜分析位置和能譜分析結果如圖1所示。通過對水冷壁管外壁裂紋內的腐蝕產物進行半定量分析，認為腐蝕產物主要由兩種物質組成，即鐵的硫化物以及生成的硫化物與氧氣反應產生的鐵的氧化物。其他被檢測到的元素分析認為是煙氣中灰塵的成分。

圖1 水冷壁管向火面裂紋內腐蝕產物能譜分析結果

3 結果分析

該水冷壁管的硬度、化學成分和金相組織均正常，說明不是材質因素和運行老化因素導致橫向裂紋開裂。水冷壁管裂紋穿晶式擴展，斷面有清晰可見的貝紋線，均符合熱疲勞的一般特征。裂紋內部附著有氧化腐蝕產物，認為是高溫下熱疲勞擴展過程中氧化腐蝕形成的。綜合判斷認為，該橫向裂紋的主要成因是腐蝕性熱疲勞[4]。

在材料的形變過程中，材料各部分組織的形變會相互影響。該水冷壁管材料組織為鐵素體（硬度大約HB70）和珠光體（硬度大約HBS180），因為兩者硬度有明顯差異，所以在冷變形過程中鐵素體易于形變而珠光體則顯得較為艱難，在冷彎加工變形過程中，鐵素體因很容易形變而受到附加壓應力的作用。

彎管工藝不合理導致萌生的微裂紋在溫度波動造成的熱交變應力作用下從表面向內部擴展。分析認為有兩個原因加速了裂紋擴展：（1）殘余拉應力促進橫向熱疲勞裂紋擴展；（2）通過對裂紋內腐蝕產物進行分析，發現腐蝕性煙氣通過腐蝕促進了橫向裂紋的擴展，這一點可通過能譜分析得到驗證。

4 結論

（1）15CrMo鋼管被冷彎變形時表面應力集中，應力作用導致鋼管變形段表面部分區域開裂形成微裂紋。隨后的熱處理沒有讓微裂紋消失，微裂紋作為熱疲勞源存在下來。在熱交變應力作用下，微裂紋擴展成熱疲勞橫向裂紋。

（2）鍋爐啟停引起的拉壓應力交替作用于彎管，導致彎管部分區域永久變形。永久變形產生的殘余拉應力促使彎管熱疲勞極限下降，加速裂紋擴展。

（3）燃燒形成的腐蝕性煙氣在高溫環境下腐蝕水冷壁管裂紋區域，生成鐵的氧化物和硫化物。隨著裂紋區氧化皮不斷裂開，腐蝕持續進行，導致裂紋不斷擴展。

[1]劉定平.超（超）臨界電站鍋爐氧化皮生成剝落機理及其防爆關鍵技術研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[2]蔡暉，劉鴻國，洪道文，等.超超臨界鍋爐水冷壁開裂原因分析[J].電力建設，2010，31（8）：59-62.

[3]劉勇，唐必光.鍋爐水冷壁管橫向裂紋故障機理分析[J].華東電力，1999，27（9）：37-39.

[4]孫凱，盧寶義.電站鍋爐水冷壁管腐蝕破口失效分析[J].品牌與標準化，2012（2）：54-55.