某高壓鍋爐水冷壁管開裂原因分析

郭 濤,竺哲明,陳仙鳳,鄭小騰,余煥偉

(紹興市特種設備檢測院,紹興 312071)

水冷壁管作為電站鍋爐的重要部件，運行過程中管內(nèi)承受高溫高壓及腐蝕作用，管外承受高溫煙氣的沖刷磨損，鍋爐水冷壁管的可靠性直接關系到電廠機組的安全有效運行[1]。某熱電廠一臺高壓鍋爐在移裝完成后的水壓試驗過程中，加壓至8 MPa左右時發(fā)現(xiàn)有10余根水冷壁管開裂，水冷壁管材料為20G鋼，規(guī)格為φ60 mm×5 mm，開裂位置標高12～18 m。此臺鍋爐制造日期為2008年1月，移裝前累計運行時間約7×104h。選取開裂管子(編號為試樣A)和未出現(xiàn)開裂管子(編號為試樣B)，通過一系列檢驗對管子開裂的原因進行分析，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

宏觀檢查開裂處位于向火側(cè)，裂口邊緣粗糙，呈撕裂狀，有明顯的脆性斷裂特征，管徑無明顯脹粗，裂口處截面有減薄現(xiàn)象。A，B兩個試樣內(nèi)壁靠近向火側(cè)均有明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積，打磨后有大量的腐蝕坑，呈潰瘍狀腐蝕形貌，如圖1所示。

圖1 試樣A和試樣B的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of sample A and sample B:a) outer wall of crack in sample A; b) inner wall of crack in sample A; c) inner wall of sample B

1.2 壁厚測量

對試樣A、試樣B按照圖2所示的位置進行壁厚測量，測量結果見表1。可見試樣B在內(nèi)壁腐蝕處厚度有輕微減薄，試樣A裂口處壁厚減薄明顯，壁厚實測最小值3.7 mm，與宏觀分析結果一致。

圖2 試樣壁厚測量位置示意圖Fig.2 Diagram of wall thickness measuring position of sample

表1 水冷壁管厚度測量結果Tab.1 Thickness measurement results of water wall tube mm

1.3 化學成分分析

對兩個試樣進行化學成分分析，結果見表2。可見各元素含量均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的成分要求。

表2 水冷壁管的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.2 Chemical compositions of water wall tube (mass fraction) %

1.4 硬度測試

對試樣A的管子開裂處和未開裂處，以及試樣B進行布氏硬度測試，結果如表3所示。可見，試樣B的硬度符合DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督》中對20G鋼的參考值(120～160 HB)，試樣A開裂處附近的硬度和未開裂處的硬度相差較大，且均低于DL/T 438—2016中對20G鋼的參考值。

表3 水冷壁管硬度測試結果Tab.3 Hardness test results of water wall tube HBW

1.5 金相檢驗

將試樣A沿橫截面處切斷，經(jīng)打磨、拋光、4%(質(zhì)量分數(shù))硝酸酒精溶液浸蝕后，裂紋形貌與顯微組織形貌如圖3所示。對試樣B沿橫截面處切斷，觀察內(nèi)壁顯微組織形貌，如圖4所示。

圖3 試樣A顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of sample A: a) outer wall of crack in sample A; b) cross section of crack in sample A; c) inner wall of crack in sample A

圖4 試樣B內(nèi)壁顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of inner wall of sample B

由圖3和圖4可以看出，兩個試樣基體的顯微組織均為鐵素體+珠光體，均有不同程度的珠光體球化，向火側(cè)截面內(nèi)壁可見大量的沿晶微裂紋，主裂紋在內(nèi)壁萌生，向外壁擴展。試樣A裂口內(nèi)壁、試樣B內(nèi)壁的局部碳化物呈條帶狀分布，并伴有沿晶微裂紋。

1.6 掃描電鏡分析

試樣A裂口較平整，無明顯的塑性變形，對裂口處截面腐蝕產(chǎn)物進行酸洗后采用掃描電鏡(SEM)進行觀察，如圖5所示，可見明顯的沿晶脆性斷裂特征。對試樣A裂口處內(nèi)壁進行SEM觀察，如圖6所示，可見裂口內(nèi)壁有較多沿晶微裂紋。晶間微裂紋的存在，使晶粒之間結合力下降，金屬的強度和塑性迅速降低，在外力的作用下無塑性變形的能力，容易發(fā)生脆性破壞。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于管子內(nèi)壁的腐蝕坑，沿晶界向基體金屬內(nèi)部擴展，并且越靠近內(nèi)壁，晶間裂紋越多。觀察試樣B內(nèi)表面SEM形貌，如圖7所示，可見其表面存在較多的點蝕。

圖5 試樣A裂口截面微觀形貌Fig.5 Micro morphology of cross section of crack in sample A

圖6 試樣A裂口內(nèi)壁微觀形貌Fig.6 Micro morphology of inner wall of crack in sample A

圖7 試樣B內(nèi)壁微觀形貌Fig.7 Micro morphology of inner wall of sample B

1.7 能譜分析

對A，B兩個試樣內(nèi)壁垢下腐蝕層進行能譜(EDS)分析，結果見圖8和圖9。可見垢下腐蝕層含有碳、氧、鋁、硅、鈣、硫、鐵等元素。經(jīng)分析，碳、鐵元素來自鋼材基體，氧元素來自鐵的氧化物，其余元素來自于原水、水處理或酸洗過程，并且兩個試樣開裂部位和未開裂部位均含有鐵的腐蝕產(chǎn)物和氧化物。

圖8 試樣A向火側(cè)內(nèi)壁垢下腐蝕層EDS譜Fig.8 EDS spectrum of corrosion layer under scale ofinner wall on fire side of sample A

圖9 試樣B向火側(cè)內(nèi)壁垢下腐蝕層EDS譜Fig.9 EDS spectrum of corrosion layer under scale ofinner wall on fire side of sample B

2 分析與討論

A，B兩個試樣內(nèi)壁均存在結垢，且垢下有大量潰瘍狀腐蝕坑，EDS檢測腐蝕產(chǎn)物均為鐵的氧化物。兩個試樣均有減薄現(xiàn)象，硬度有一定下降，珠光體部分球化，內(nèi)表面有大量沿晶微裂紋萌生，裂口處邊緣較為粗糙，無脹粗，無明顯塑性變形，為典型的電站鍋爐水冷壁管垢下腐蝕氫損傷致脆性開裂[2-3]。

氫損傷是指金屬中由于含有氫或金屬中的某些成分與氫反應，從而使金屬材料的力學性能發(fā)生改變的現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)形式有氫脆、氫腐蝕、氫鼓包等。電站鍋爐水冷壁管滿足蒸汽管道發(fā)生氫腐蝕的條件：蒸汽壓力3～19 MPa，蒸汽溫度315～510 ℃，且在腐蝕過程中汽水反應能提供足夠的原子氫的來源。汽水反應生成的原子氫一部分擴散滲入金屬內(nèi)部，與顯微組織珠光體中的碳化物反應生成甲烷，并在組織中形成脫碳層，使金屬基體強度下降[3]。較大的甲烷分子聚集于晶界，在晶界上產(chǎn)生極大的內(nèi)應力而使晶界開裂，在內(nèi)壁形成沿晶微裂紋，微裂紋由內(nèi)壁向外壁擴展最終導致脆性開裂。

3 結論及建議

該水冷壁管是垢下腐蝕氫損傷導致的脆性開裂。水冷壁管發(fā)生氫腐蝕，且在腐蝕過程中汽水反應生成的部分原子氫擴散滲入金屬內(nèi)部，與珠光體中的碳化物反應生成甲烷，較大的甲烷分子聚集于晶界而使晶界開裂，在內(nèi)壁形成沿晶微裂紋，裂紋擴展最終導致水冷壁管發(fā)生脆性開裂。

建議加強舊鍋爐移裝交易環(huán)節(jié)的監(jiān)督及移裝前檢驗，及時更換已經(jīng)發(fā)生氫損傷的管段，嚴格控制給水品質(zhì)，防止水質(zhì)不合格導致管內(nèi)結垢。