某超臨界鍋爐吹灰器罩殼內(nèi)水冷壁管表面裂紋產(chǎn)生原因

張志博，范志東，章春香，牛 坤，馬翼超，劉承鑫

(西安熱工研究院有限公司，西安 710054)

0 引 言

在運(yùn)行過程中，燃煤電站鍋爐受熱面不可避免地會產(chǎn)生積灰或結(jié)渣現(xiàn)象，輕則影響鍋爐的傳熱和正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致降負(fù)荷甚至意外停爐，嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，燃煤電站鍋爐常使用吹灰器來清除積灰、避免結(jié)渣。電廠鍋爐四管——水冷壁管、過熱器管、再熱器管和省煤器管爆漏造成的鍋爐停運(yùn)事件，占火電機(jī)組各類非計(jì)劃停運(yùn)事件的50%左右[1-3]，而吹灰系統(tǒng)異常造成的吹損爆管，是造成鍋爐四管泄漏的主要原因之一[4-5]。

2015年12月，某電廠鍋爐IR06吹灰器罩殼外發(fā)生蒸汽泄漏，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)吹灰器罩殼內(nèi)水冷壁管背火面鰭片與管子焊縫處發(fā)生開裂(見圖1)，現(xiàn)場磁粉檢測發(fā)現(xiàn)裂紋向母材方向延伸，呈橫向擴(kuò)展，并最終造成管子開裂泄漏，同時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)條平行于主裂紋的小裂紋，緊鄰該泄漏點(diǎn)對側(cè)的管子彎曲部位吹損痕跡明顯，且在吹痕中心有一漏口。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)罩殼內(nèi)鰭片采用點(diǎn)焊方式連接在管子上，焊接質(zhì)量很差，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)多處密封開裂。主裂紋可能由焊接質(zhì)量較差引起，但主裂紋附近數(shù)條小裂紋產(chǎn)生的原因尚不明確。近幾年，多家電廠已相繼在檢修中發(fā)現(xiàn)水冷壁管向火面存在大面積橫向裂紋的現(xiàn)象，其原因主要是由于水動(dòng)力不足導(dǎo)致水冷壁管向火面長期承受較大軸向熱應(yīng)力而發(fā)生的疲勞開裂[6-8]；但是有關(guān)水冷壁管背火面出現(xiàn)密集裂紋的報(bào)道較少。該鍋爐是超臨界參數(shù)變壓直流燃煤鍋爐，截至此次泄漏，機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行1.2萬h，啟停9次。開裂部位管段材料為T2鋼，規(guī)格為φ38.1 mm×7.5 mm。為了找到該水冷壁管背火面裂紋產(chǎn)生的原因，作者對其進(jìn)行了失效分析。

圖1 吹灰器罩殼內(nèi)水冷壁管開裂位置的現(xiàn)場照片

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 外觀檢查

在泄漏鋼管上取樣，用砂紙打磨管樣并進(jìn)行磁粉檢測，可見管樣背火面在鰭片與鋼管密封焊處開裂，在泄漏點(diǎn)主裂紋約120 mm長度范圍內(nèi)存在數(shù)條橫向裂紋，如圖2所示。在管樣向火面未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖2 管樣背火面缺陷宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分

對管樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其中碳元素使用碳硫分析儀測定，其他元素均使用ICP-AES型全譜直讀等離子體發(fā)射光譜分析儀測定。由表1可知，管樣的主要化學(xué)成分符合ASME SA213標(biāo)準(zhǔn)中T2鋼的成分要求。

表1 管樣化學(xué)成分測試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3 斷口形貌與微區(qū)成分

圖3 管樣裂紋打開后的斷口宏觀形貌

在管樣上選取一處較長的裂紋，將裂紋人工打開后觀察兩側(cè)斷口形貌。由圖3可見：裂紋源位于管外壁表面，裂紋源區(qū)覆蓋有黃銹；裂紋擴(kuò)展區(qū)位于斷口中部，覆蓋有灰色氧化物層；人工打斷區(qū)位于管壁中部到內(nèi)壁處，表面新鮮光亮?？梢源_定，裂紋從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。采用Quanta 400 HV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察超聲清洗前后裂紋面的微觀形貌。由圖4可以看出：裂紋面呈扇形，超聲清洗前其表面覆蓋著較厚的附著物，但裂紋擴(kuò)展區(qū)局部仍能看到條紋形貌；超聲清洗后，裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)清晰的圓弧形條紋，垂直于裂紋擴(kuò)展方向規(guī)則并有一定間距地排列，呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征。用SEM附帶的EDAX型能譜儀(EDS)對裂紋面附著物進(jìn)行成分分析，測試位置見圖5，測試結(jié)果見表2。裂紋面附著物中的氧、鐵含量較高，其他成分主要是硫、硅、鈣、氯等，說明附著物主要為鐵的氧化物及煤灰，或少量含硫的腐蝕產(chǎn)物。由于腐蝕性元素含量較低，腐蝕性元素對裂紋擴(kuò)展的影響也較小。

圖4 管樣裂紋面清洗前后的SEM形貌

圖5 管樣裂紋面EDS測試位置

表2 管樣裂紋面EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖6 管樣背火面裂紋處和向火面基體顯微組織

1.4 顯微組織

在管樣背火面開裂處制取縱向和橫向金相試樣，向火面上制取縱向金相試樣。試樣經(jīng)砂紙粗、細(xì)磨，拋光，并用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在OLYMPUS GX71型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織，根據(jù)DL/T 787-2001對組織球化情況進(jìn)行評級。由圖6可以看出：管樣背火面和向火面的顯微組織均為鐵素體+珠光體，球化1～2級，未見異常；管樣背火面開裂處存在大量由外壁深入基體的裂紋，裂紋呈穿晶發(fā)展，內(nèi)部充滿氧化產(chǎn)物。

1.5 硬 度

在管樣有裂紋處與無裂紋處分別制取橫向環(huán)狀試樣和縱向試樣，使用HVS-50型維氏硬度計(jì)進(jìn)行維氏硬度測試，載荷為98 N，加載時(shí)間為15 s，每個(gè)部位測3點(diǎn)取平均值。由表3可知：管樣不同部位的硬度均滿足ASME SA213中T2鋼管的硬度要求(不大于170 HV)，并且向火側(cè)與背火側(cè)硬度無明顯差異。

表3 管樣向火面和背火面不同位置的硬度

1.6 室溫拉伸性能

在管樣遠(yuǎn)離裂紋處的向火面和背火面分別制取拉伸試樣，尺寸為150 mm×10 mm×7.5 mm，平行段長60 mm，按照GB/T 228.1-2010，使用CMT5205型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。管樣向火面的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為369 MPa和505 MPa，背火面的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為339 MPa和492 MPa，均滿足ASME SA213中T2鋼管的強(qiáng)度要求。

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 裂紋類型

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，開裂水冷壁管的材料正常，其外壁裂紋為穿晶型，裂紋內(nèi)充滿氧化產(chǎn)物，裂紋面呈疲勞形貌。

熱疲勞損壞時(shí)鋼管開裂處不會出現(xiàn)管子脹粗和明顯的管壁減薄現(xiàn)象，管子表面會出現(xiàn)兩種裂紋，一種是密集、相互平行的直線型叢狀裂紋，另一種是網(wǎng)狀裂紋即龜裂。熱疲勞裂紋多數(shù)為穿晶型，裂紋內(nèi)部往往充滿灰色腐蝕產(chǎn)物。熱疲勞引起的斷裂是脆性斷裂，具有隱蔽性和突發(fā)性特點(diǎn)，對安全生產(chǎn)危害很大[9]。機(jī)械疲勞裂紋通常集中在應(yīng)力比較集中的區(qū)域[10]。失效管周邊由鰭片束縛，外部機(jī)械應(yīng)力的作用較??；材料組織和性能未見明顯異常，裂紋附近未發(fā)現(xiàn)粗大且不均勻的晶?；虻诙囝w粒，不存在易引起應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)；管子與鰭片是由同種材料拼接在一起的。由此可以得出，開裂水冷壁管表面密集型裂紋，并不是由管結(jié)構(gòu)及材料不良引起的，應(yīng)是由熱疲勞導(dǎo)致的。裂紋并未穿透管壁，仍處于擴(kuò)展階段；裂紋面上腐蝕性元素含量較低，對水冷壁管疲勞壽命的影響較小。

2.2 開裂原因

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，吹灰器套管外徑選型偏大，無法伸入吹灰孔，頂在吹灰孔周邊的水冷壁管上，如圖7(a)所示；正常外徑的安裝方式見圖7(b)。運(yùn)行規(guī)程中規(guī)定吹灰蒸汽溫度應(yīng)為300 ℃，但在實(shí)際操作過程中，蒸汽溫度約為280 ℃時(shí)即開始吹灰，蒸汽過熱度不夠造成吹灰蒸汽含水量較高。該處水冷壁管背火面外壁溫度約為350 ℃(管內(nèi)介質(zhì)溫度約350 ℃)。在吹灰過程中，吹灰蒸汽中的水滴沿著水冷壁管和吹灰套管的縫隙滴到水冷壁管背火側(cè)表面，導(dǎo)致此處管子長期承受冷熱交變應(yīng)力作用而發(fā)生熱疲勞開裂。

圖7 吹灰器套管安裝示意

水冷壁管材料為T2鋼(相近鋼牌號為12CrMoG)。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，開裂處水冷壁管背火面與吹灰蒸汽中水滴溫差約為70 ℃。根據(jù)《鋼材物理性能表》[11]中數(shù)據(jù)，采用內(nèi)插法得到T2鋼的線膨脹系數(shù)為12.8×10-6K-1，350 ℃時(shí)的彈性模量為1.823×105MPa，則背火面和水滴間的溫差應(yīng)力[12]為163 MPa。該溫差應(yīng)力較大，已接近GB/T 5310-2017規(guī)定的T2鋼在350 ℃下的高溫規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度。在鍋爐運(yùn)行過程中，負(fù)荷的變化會導(dǎo)致溫差發(fā)生較大幅度的變化，溫差應(yīng)力也會隨之發(fā)生變化。電廠在投產(chǎn)初期，水冷壁吹灰器每天吹2次，每次5～10 min。若吹灰時(shí)吹灰蒸汽溫度偏低，就會導(dǎo)致吹灰蒸汽帶水，水滴會反復(fù)滴在管表面，使管表面間歇受到溫差應(yīng)力作用而開裂。在實(shí)際運(yùn)行過程中水不一定每次都滴在相同的位置，因此該位置所受溫差應(yīng)力頻次較低，裂紋擴(kuò)展緩慢；裂紋內(nèi)部形成的氧化物也證明了其擴(kuò)展是一個(gè)緩慢的過程。

3 結(jié)論及建議

(1) 吹灰器罩殼內(nèi)水冷壁管背火面裂紋從外壁表面產(chǎn)生，向內(nèi)壁擴(kuò)展，呈疲勞擴(kuò)展特征；其開裂原因是吹灰器套管外徑偏大，頂在吹灰孔周邊的水冷壁管上，且吹灰蒸汽因溫度偏低而帶水，在吹灰時(shí)吹灰蒸汽中的水沿著水冷壁管和吹灰套管間的縫隙滴到水冷壁管背火側(cè)表面，導(dǎo)致水冷壁管長期承受冷熱交變應(yīng)力進(jìn)而發(fā)生熱疲勞開裂。

(2) 建議采用以下措施，避免背火面裂紋再次產(chǎn)生：更換選型錯(cuò)誤的吹灰器套管；吹灰前進(jìn)行暖管，并充分疏水，疏水溫度達(dá)到規(guī)定值時(shí)方可進(jìn)行吹灰，同時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場檢查情況，適時(shí)調(diào)整吹灰溫度和吹灰頻次。