電站鍋爐水冷壁管失效分析研究★

高昌平，張啟禮

（廣東省特種設備檢測研究院,廣東 廣州 510655）

某企業#5電站鍋爐折焰角水冷壁管子在使用過程中發生了爆裂，現對斷裂部位進行力學性能、材質成分分析，腐蝕物和管內垢樣成分檢測分析，以及管子劣化現象金相和硬度分析。折焰角水冷壁管子如圖1，管子材質及規格如表1。

圖1 管子的宏觀照片

表1 管子的規格及材質

1 管子宏觀觀察

水冷壁管子經目視觀察，發現管子向火面有一條斷續的貫穿裂紋，同時裂紋周邊的外表面也有許多微裂紋，見圖2。管子的向火面內表面也有許多微裂紋，見圖3。從圖中可以看出，管子的向火面和背火面壁厚不同，向火面管子壁厚僅有3 mm，背火面管子壁厚為5 mm，可見管子向火面減薄嚴重。

圖2 管子貫穿裂紋

圖3 管子向火面內壁裂紋及減薄

2 室溫拉伸性能

根據國標GB 6397—86《金屬拉伸試驗試樣》，對于管材水冷壁管，加工成弧形拉伸試樣。向火面和背火面各取一個拉伸試樣。向火面的拉伸試樣取樣，避開貫穿性裂紋的部分。向火面試樣標記為1號，背火面試樣標記為2號。

拉伸試驗是在DNS-100電子萬能拉伸試驗機上進行，實驗結果綜合如表2所示[1]，表中列出了《高壓鍋爐用無縫鋼管》GB 5310—2008對應的力學性能標準[2]。

表2 室溫拉伸性能結果

從表2拉伸試驗結果可以看出：

1）1號向火面樣品，抗拉強度和延伸率均低于標準值，屈服強度合格；

2）2號背火面樣品，強度和伸長率均符合標準要求。

觀察拉伸后的試樣，發現1號向火面拉伸試樣內壁有很多裂紋，推測分析可能原先有很多微裂紋，經拉伸后長大了，見下頁圖4。

圖4 向火面拉伸試樣內壁裂紋

3 內壁腐蝕物能譜分析（EDS）

為了分析水冷壁管腐蝕產物的成分，在向火面裂紋處切取一段試樣，用蔡司EVO 18掃描電鏡觀察樣品顯微形貌，用牛津能譜儀51-XMX1003對樣品表面進行元素分析。分析試樣如圖5所示，裂紋處的掃描電鏡顯微形貌如圖6，能譜分析結果見表3。

圖5 外表面的宏觀形貌圖

圖6 裂紋處微觀形貌和能譜分析

從表3中的能譜成分分析結果來看，腐蝕產物主要是鐵的氧化物，還有部分其他合金元素的氧化物，且含有一定量的硫化物和少量氯化物，說明水冷壁管表面除氧化腐蝕外還存在硫腐蝕和少量氯腐蝕。

表3 貫穿裂紋處的能譜分析結果%

在管壁內側有裂紋的部位，取一小段進行微觀形貌和能譜分析，試樣見圖7，內壁微觀形貌見圖8，能譜元素分析結果見表4。同時在圖7取樣部位切取一段做外壁微觀形貌和能譜分析，外壁微觀形貌見圖9，能譜分析見表5。

圖7 內壁有裂紋處取樣

圖8 有裂紋的內壁形貌

圖9 水冷壁外壁形貌

表4 內壁裂紋處的能譜分析結果%

表5 水冷壁外壁能譜分析結果%

從表4和表5中的能譜成分分析結果來看，腐蝕產物主要是鐵的氧化物，還有部分其它合金元素的氧化物，內壁腐蝕物含有少量的硫化物，外壁腐蝕物除含有硫化物外，還含有少量氯化物。說明水冷壁管內壁有硫腐蝕，外壁有硫腐蝕和氯腐蝕。

4 熒光光譜分析（XRF）

對管子外表面粘附的粉末進行收集，然后使用QUANTX X射線熒光能譜儀進行熒光光譜分析，分析結果見表6。

表6 外壁粉末分析結果%

從上表中可以看出，粉末中硫的含量較高，這和能譜分析結果相一致。

5 材質成分分析

在水冷壁管子上任取一段25 mm×50 mm試樣，經打磨后在型號為PMI MASTER Smart全定量光譜儀上進行分析，分析三次，取平均值。分析結果見表7。

表7 水冷壁管子成分表%

根據《高壓鍋爐用無縫鋼管》GB/T 5310—2008，20 g鋼含碳量w（C），從表7中可以看出，C含量稍稍偏高[2]。

6 金相組織分析

在水冷壁管向火面和背火面各取一段試樣，分別沿縱向和橫向各取一個金相試樣，共四個金相試樣。試樣經過機械研磨、拋光后，用4%硝酸酒精浸蝕，將制備好的金相試樣于Axio Scope 5蔡司金相顯微鏡下進行組織觀察與評定[3]。

從圖10、圖11可以看出，該管子組織已經完全球化，且截面上出現了很多橫向和縱向裂紋，晶界也出現了裂紋。

圖10 橫斷面上微裂紋（200×）

圖11 橫斷面上晶界裂紋（500×）

從圖12可以看出，水冷壁邊緣帶狀縱嚴重，且碳化物全部聚集于晶界，為裂紋的形成提供了條件。而背火面截面的金相組織正常，球化也不嚴重[4]，見圖13。

圖12 水冷壁縱向組織（100×）

圖13 背火面橫截面金相組織（500×）

7 結果分析

通過對送檢的折焰角水冷壁管的力學性能、腐蝕產物的能譜分析、垢樣和粉末分析以及金相組織分析可以得出以下結論：

1）向火面力學性能已經低于標準最小值，且伸長率也低于標準最小值。

2）通過能譜分析及垢樣和粉末分析，可以看出管子的腐蝕除了氧腐蝕外，還有硫腐蝕以及少量氯腐蝕。

3）管子成分分析發現所含碳元素含量超過標準規定最大值。

4）向火面管子的金相組織已經完全球化，管子中有微裂紋和晶界裂紋的出現，背火面金相組織正常，也沒有觀察到微裂紋的產生。

造成管子出現貫穿裂紋的主要原因是管子材質劣化及氧化腐蝕減薄，管子在腐蝕初期會出現極小的凹坑，這些凹坑聚集的腐蝕液濃度較高，加速了該處的腐蝕。同時由于管子長期在高溫下運行，珠光體中的碳化物逐漸向晶界遷移[4]，降低了材料的強度，造成了晶界脆性的增加，在外力的作用下，晶界出現裂紋，慢慢擴展成為微裂紋，最后長成大的裂紋。裂紋逐步擴展，最后形成貫穿性的裂紋。