電站燃煤鍋爐水冷壁管失效原因分析及防范對策

摘要：某火電廠210 MW燃煤鍋爐水冷壁出現爆漏，汽包水位無法維持，造成機組非計劃性停運。現針對水冷壁管爆漏從爆漏口宏觀外貌檢查、檢修臺賬、金相等三大方面開展原因分析，綜合認為失效的主要原因是大電流及長時間的補焊作業造成補焊處水冷壁管母材局部嚴重過熱，導致管子內部嚴重脫碳及產生沿晶微裂紋，并造成管子垢下氫腐蝕，在交變熱應力與氫損傷的作用下，裂紋擴展連通，最終在內部汽水壓力作用下出現爆漏失效。然后針對失效原因提出了加強補焊管理、設備管理、運行管理、金相監督等一系列防范措施，以切實保障鍋爐安全、穩定、可靠運行。

關鍵詞：水冷壁;補焊;氫腐蝕;沿晶裂紋;脫碳;局部過熱

0? ? 引言

火力發電廠鍋爐四管（水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器）包含了鍋爐的全部受熱面，內部承受著工質的壓力和一些化學成分的作用，外部承受著高溫煙氣的熱傳遞、侵蝕和磨損作用，在水與火之間進行調和，是矛盾集中的所在，比較容易發生失效和泄漏事故[1-3]。據資料顯示，鍋爐設備事故造成的非計劃停運次數占機組全部非計劃性停運次數的40%以上[4-6]，而鍋爐四管失效造成的突發事故占鍋爐事故的70%以上[7]，四管故障中40%發生在水冷壁管[8]，因此，我們需對鍋爐水冷壁管失效給予特別的重視。根據有關資料，可將水冷壁管失效原因歸結為長期過熱、短期過熱、高溫腐蝕、酸堿腐蝕、氧腐蝕、氫腐蝕、氯腐蝕等[8]。

1? ? 事件經過

某火電廠#7鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產的DG680/13.7-20型超高壓、中間再熱、全懸吊、平衡通風、自然循環、固態排渣爐，單爐體、開式、負壓爐膛、π型布置鍋爐，其與210 MW汽輪發電機組配套成單元制機組。

2019年2月18日一值（01：00—08：30），#7機組運行，負荷162 MW，高再供熱80 t/h，高排供熱17 t/h。02：36，鍋爐光字牌報警系統發出“爐管泄漏”報警，同時爐膛壓力由-50 Pa升至150 Pa，給水流量由569 t/h突升至700 t/h，主汽流量由556 t/h下降至453 t/h，負荷由162 MW降至144 MW，鍋爐右側煙溫下降近200 ℃。運行人員立即調整鍋爐運行參數，控制汽包水位和機組運行參數。02：39，現場檢查發現#7爐爐膛27 m短吹灰槍IR24附近爐膛內有明顯漏汽聲。02：41，#7機組退出高排、高再供熱運行。02：54，#7機組減負荷至120 MW。運行人員加大給水量，鍋爐汽包水位仍無法維持，03：21，#7機組減負荷至0后打閘停運。

停機后檢修人員進入鍋爐內部檢查發現，鍋爐水冷壁管泄漏點是鍋爐右墻短吹灰槍IR24左側第5根水冷壁管（爐內面向爐墻），爆漏口呈縱向開裂狀（圖1），檢修人員更換了短吹灰槍IR24左側第5、第6根水冷壁管，材質為20G，規格均為？準60×6.5 mm，長度均為1 500 mm。

2? ? 原因分析

2.1? ? 宏觀檢查分析

鍋爐右墻短吹灰槍IR24左側第5根水冷壁管的爆漏口沿管子縱向開裂，長度約150 mm，裂紋寬度最大約6 mm，爆漏段管徑有明顯脹粗，裂口周邊沒有明顯吹損減薄跡象，爆漏口邊緣為鈍邊，呈厚唇型脆性開裂狀。水冷壁管向火面沿縱向存在補焊，沿爆漏口中間部位截斷后，可見爆漏口內壁存在腐蝕情況，如圖2所示。在補焊未開裂位置截取一段沿中間剖開成向火面和背火面，可見補焊位置對應內壁出現與外壁補焊層輪廓形貌基本吻合的腐蝕形貌，如圖3所示。可見水冷壁管受到外壁補焊影響，內壁的氧化膜遭到了破壞，投運后內壁在補焊對應位置出現了不同程度的垢下氫腐蝕。

2.2? ? 檢修臺賬分析

查閱#7爐水冷壁管檢修臺賬得知，2017年12月對#7鍋爐進行鍋爐內部檢驗時，檢修人員已對燃燒器周邊的壁厚≤5.59 mm水冷壁管進行了更換。到2018年8月#7機組停機時，檢查發現8個月左右水冷壁管壁厚從5.59～6.5 mm減到最低≤4.6 mm，減薄了1～2 mm，管道減薄速度偏快。2018年8月23日，#7爐前墻水冷壁管因長期連續吹灰減薄泄漏，停爐后檢修人員共更換18根水冷壁管，鍋爐、金相相關專業人員現場研討，認為如果對103根減薄在壁厚30%以內（4.6 mm<壁厚≤5.3 mm）的水冷壁管不做處理，該部分水冷壁管在下一個檢修周期發生泄漏的風險較高。本著對公司設備負責的態度，在有限的時間內，決定對減薄的管道進行補焊修復處理。為防止水冷壁減薄處再次泄漏，對共計103根4.6 mm<壁厚≤5.3 mm的水冷壁管進行了補焊處理，補焊長度范圍200～1 000 mm，平均長度約為500 mm。

2.3? ? 金相分析

對吹灰槍IR24左側第5根水冷壁管爆漏口位置橫截面、斷口附近縱截面、補焊未開裂處和未補焊位置分別取樣進行金相分析，結果為：爆漏口處焊縫為先共析鐵素體+珠光體，斷口主要為沿晶開裂，沿斷口有大量沿晶分支裂紋;爆漏口內壁母材位置斷口主要為沿晶開裂，斷口附近母材存在大量沿晶微裂紋，母材組織出現嚴重脫碳。爆漏口附近內壁母材和焊縫底部母材組織均嚴重脫碳，存在大量的沿晶微裂紋，如圖4所示。

對爆漏口周邊完好的管材進行金相分析顯示，未補焊位置向火面和背火面母材組織均為鐵素體+珠光體，珠光體球化級別為2級，未補焊位置管道未發現嚴重過熱球化現象。拉伸試驗可見，未補焊位置水冷壁管的力學性能符合標準要求，材料力學性能未出現明顯劣化。

綜合上述分析，此次水冷壁管泄漏失效主要原因為：在2018年8月對#7爐減薄的水冷壁管補焊修復作業過程中，由于采用電焊作業，焊接電壓、電流較大，且是連續作業，補焊焊縫長度過長，補焊位置局部嚴重過熱，造成補焊處的水冷壁管母材產生嚴重脫碳及沿晶微裂紋，同時破壞了管子內壁的氧化膜保護層，補焊修復投運后，補焊處管子內壁出現垢下氫腐蝕，氫擴散到金屬中，與金屬組織中的珠光體內部碳化物反應產生CH4，引起管子進一步脫碳，同時CH4容易在金屬集體中晶界的空穴、夾雜物等附近聚集，產生較高的局部應力，令金屬產生裂紋、龜裂等，使得管子的強度和韌性顯著下降，造成脆性破壞。并且#7機組頻繁參與調峰，在管子交變熱應力與氫損傷的綜合作用下，管子內壁及補焊的微裂紋越來越多，逐漸延伸擴展連通，管子強度急劇下降，最終IR24左側第5根水冷壁管補焊處在內部超高壓汽水壓力（正常運行時，工作壓力約為13 MPa，工作溫度約300 ℃）作用下出現了爆裂失效，汽包水位無法維持，造成了機組非計劃性停運。

3? ? 防范對策

為切實抓好火力發電廠鍋爐四管受熱面的防磨防爆管理，尤其是管子的補焊作業質量管理，認真吸取此次水冷壁管爆漏的經驗教訓，在管子爆漏原因分析的基礎上特提出以下防范對策與措施：

（1）協調組織了#7機組停機檢修，對#7爐2018年8月份補焊的水冷壁管進行了全面的檢查更換，并利用停機時機對全廠各臺鍋爐補焊處理的管段進行檢查、分析，必要時更換。

（2）按《火力發電廠鍋爐受熱面管監督檢驗技術導則》，鍋爐水冷壁管段減薄超過設計壁厚的30%時，及時更換管道。管道減薄但未超過設計壁厚的30%時，確保剩余壁厚應滿足運行至下一個檢修期強度計算所確定的最小需要壁厚，否則應及時更換。

（3）受壓元件缺陷補焊適宜原則：對于管子因應力腐蝕、蠕變和疲勞等產生的大面積損傷不宜采用補焊方法處理。在減薄面積不大或換管條件不允許情況下可進行補焊修復，但應嚴格按照焊接相關規程做好補焊工藝評定，焊接工藝評定合格后編制焊接作業指導書，焊工應進行模擬練習，對于局部缺陷或焊縫局部缺陷宜采用機械方法消除，并在補焊前進行無損檢測，確認缺陷已徹底消除后方可開展補焊作業。對于鍋爐四管受熱面的補焊，要求以氬弧焊補焊為主，并在補焊作業中著重控制焊接電壓、電流及焊接速度，控制焊接線能量及熱影響區，防止對母材產生過熱傷害。在受壓元件及其焊縫缺陷補焊后，應進行100%的無損檢測，必要時進行金相檢驗、硬度檢驗和殘余應力測定。補焊前后的檢驗報告、焊接工藝資料等應存檔記錄在案。

（4）對于鍋爐承壓重要部件的更換、焊接，要做好金相檢驗、焊接質量及無損檢測的跟蹤檢查和規劃，做到材料正確、工藝規范、焊接質量合格，掌握金屬組織、性能變化和缺陷發展情況，提前判斷，及時處理，把隱患消滅在萌芽狀態。

（5）切實抓好鍋爐四管受熱面防磨防爆管理。在發電機組停機檢修期間，要按照標準要求認真落實防磨防爆檢查，要嚴把四管受熱面檢修質量關，確保檢修工藝和檢修質量達標;要注意深入分析設備缺陷和故障的特點，找出缺陷和故障的根本原因，提出解決問題的防范措施，并認真吸取經驗教訓，不斷提高設備維護和檢修的質量。

（6）加強日常鍋爐運行調整，確保鍋爐燃燒穩定和汽水參數正常，避免鍋爐各管超溫超壓，并嚴格按規程吹灰，注意在吹灰前要疏水到位，保障吹灰蒸汽具備一定過熱度，避免吹灰蒸汽帶水，減少鍋爐受熱面管蒸汽吹蝕減薄;切實用好爐管泄漏檢測裝置、管壁溫度測量等輔助設備，及時發現問題，及早處理;按規程做好鍋爐排污，確保鍋爐水質合格。

（7）加強鍋爐汽水品質的監測與調整，確保汽水品質合格達標，并注意定期割取受熱面管子檢查其內壁的腐蝕、結垢、積鹽情況，對超標的按行業規定開展化學清洗，避免受熱面管產生垢下氫腐蝕，防止發展為氫脆。

（8）加強鍋爐四管受熱面金屬監督的技術監督和指導，尤其要抓好受熱面管子的焊接工藝和質量把控，確保鍋爐運行安全穩定。

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收稿日期：2020-05-13

作者簡介：黃俊杰（1986—），男，廣東廉江人，熱能動力工程師，從事火力發電廠鍋爐設備管理工作。