某電站鍋爐水冷壁側(cè)包墻管泄漏原因分析

季文波 安 棟 梁 奎 康龍基 王兆民

（1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 哈爾濱 150046)

（2.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

電站鍋爐水冷壁按結(jié)構(gòu)型式，主要有光管式、膜式和刺管式3類，其中膜式水冷壁是把光管與鰭片焊接在一起，使成為一密封的組合受熱面，該結(jié)構(gòu)既可提高爐膛的氣密性，又能更好地保護(hù)爐墻，使?fàn)t墻重量減輕、結(jié)構(gòu)簡化[1-4]。膜式水冷壁的光管與鰭片焊接時多采用成排自動焊形成連續(xù)的角焊縫，影響焊接質(zhì)量因素主要有：1）焊縫氣孔，如果焊接時母材表面存在鐵銹及油污時，便會造成焊縫氣孔，所以一般在焊接前要對母材進(jìn)行清理，可采取機(jī)械打磨、高溫?zé)Y(jié)等方式；2）焊接參數(shù)不穩(wěn)定，自動焊雖然設(shè)定的焊接參數(shù)是固定的，但如果走絲速度及進(jìn)管速度不穩(wěn)定，焊接質(zhì)量同樣不穩(wěn)定；3）起弧、收弧處易產(chǎn)生缺陷，鰭片端部的起弧及收弧處往往存在焊接熱輸入易過大、焊材不能填滿熔池表面等缺陷，導(dǎo)致角焊縫端部產(chǎn)生焊接缺陷。

本次泄漏是在鍋爐運行過程中產(chǎn)生的，位置在水冷壁延伸側(cè)包墻管與鰭片角焊縫端部。為分析產(chǎn)生泄漏的原因，現(xiàn)場進(jìn)行割管，泄漏樣管材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為φ38×8.5 MWT，鰭片材質(zhì)為12Cr1MoV，規(guī)格為δ=6 mm。

1 理化檢驗

1.1 取樣位置及對應(yīng)編號

對樣管取樣進(jìn)行理化檢驗，包括宏觀檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測、金相分析，取樣位置及試樣編號見圖1、表1。

圖1 取樣位置及對應(yīng)編號

表1 樣管取樣位置、編號及試驗內(nèi)容

1.2 宏觀檢驗

由樣管的表面宏觀形貌可知，樣管整體平直，沒有明顯的外徑脹粗、彎折、扭轉(zhuǎn)等變形現(xiàn)象。樣管外表面沒有積灰和結(jié)焦現(xiàn)象。泄漏處位于管子與扁鋼焊接的角焊縫端部，并沿角焊縫與管子界面處擴(kuò)展，裂紋長度約占管子2／3圓周，裂紋附近有水漬，現(xiàn)場水冷壁照片及樣管宏觀形貌見圖2。

圖2 現(xiàn)場水冷壁照片及樣管宏觀形貌

1.3 化學(xué)成分分析

在樣管一端遠(yuǎn)離泄漏處截取化學(xué)分析試樣，試樣編號為1#，用OBLF QSN750型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。分析結(jié)果表明：樣管的化學(xué)成分符合GB／T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[5]的規(guī)定。

表2 樣管化學(xué)成分 %

1.4 力學(xué)性能檢測

●1.4.1 室溫拉伸試驗

在樣管上遠(yuǎn)離泄漏處取室溫拉伸試樣，試樣編號為2#，采用WDW-300E電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗，檢測結(jié)果見表3。試驗結(jié)果表明：樣管的室溫拉伸性能符合GB／T 5310—2017的規(guī)定。

表3 室溫拉伸試驗結(jié)果

●1.4.2 硬度檢測

在樣管泄漏處取硬度試樣，試樣編號為3#。采用HVS-50型維氏硬度計進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表4。試驗結(jié)果表明：樣管遠(yuǎn)離裂紋處的母材的硬度值符合GB／T 5310—2017的規(guī)定，樣管裂紋處熱影響區(qū)的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材硬度，熱影響區(qū)硬度高出母材硬度82 HV，不符合廠內(nèi)工藝的要求，廠內(nèi)工藝內(nèi)控要求熱影響區(qū)硬度不超過母材硬度40 HV。

表4 樣管硬度檢測結(jié)果

1.5 金相組織分析

在樣管泄漏處取金相試樣，試樣編號為3#，對試樣進(jìn)行粗磨、細(xì)磨和拋光，對拋光后的試樣采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，采用AXIOVERT200MAT光學(xué)金相顯微鏡分別觀察腐蝕后試樣各位置的顯微組織和晶粒度，檢測結(jié)果見表5，試樣觀測位置及顯微組織如圖3、圖4所示。

圖3 顯微組織觀測位置

圖4 試樣各位置顯微組織

圖4 試樣各位置顯微組織（續(xù)）

表5 金相檢測結(jié)果

金相檢測結(jié)果表明：樣管母材的顯微組織和晶粒度符合GB／T 5310—2017的規(guī)定。樣管泄漏處角焊縫的顯微組織為貝氏體組織，角焊縫端部的母材表面有凹坑缺陷。裂紋貫穿整個壁厚，近外壁區(qū)域的裂紋中附著有氧化物。裂紋開口尺寸由外壁向內(nèi)壁逐漸減小，外壁裂紋的開裂位置為熱影響區(qū)，裂紋未見分叉，裂紋邊緣平直，未見塑形變形，裂紋邊緣晶粒有沿晶也有穿晶。內(nèi)壁裂紋兩側(cè)母材不平齊，其中一側(cè)內(nèi)壁母材有向外壁移動的痕跡。

2 試驗結(jié)果分析

1）通過化學(xué)成分分析結(jié)果可知，樣管的化學(xué)成分符合GB／T 5310—2017對12Cr1MoVG材料的規(guī)定。

2）通過力學(xué)性能試驗結(jié)果可知，樣管母材的室溫拉伸性能、硬度值符合GB／T 5310—2017對12Cr1MoVG材料的規(guī)定。泄漏處熱影響區(qū)的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材硬度。

3）通過宏觀檢查可知，樣管整體平直，沒有明顯的外徑脹粗、彎折、扭轉(zhuǎn)等變形現(xiàn)象。泄漏處裂紋沿角焊縫與管子界面處擴(kuò)展，裂紋長度約占管子2／3圓周，裂紋附近有水漬。

4）通過金相分析可知，樣管母材的顯微組織和晶粒度符合GB／T 5310—2017的規(guī)定。樣管泄漏處角焊縫的顯微組織為貝氏體組織，角焊縫端部的母材表面有凹坑缺陷。裂紋開口尺寸由外壁向內(nèi)壁逐漸減小，近外壁區(qū)域的裂紋中附著有氧化物，由此可以推斷裂紋是由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。裂紋在外壁的開裂位置在角焊縫端部的熱影響區(qū)，裂紋未見分叉，裂紋邊緣平直，未見塑性變形，裂紋邊緣晶粒有沿晶也有穿晶。內(nèi)壁裂紋一側(cè)母材有向外壁移動的痕跡，由此可以推斷在外界應(yīng)力的作用下，裂紋首先在外壁熱影響凹坑處形成并擴(kuò)展，直至裂紋貫穿后，外界應(yīng)力繼續(xù)作用而使裂紋兩側(cè)的母材不在同一水平線上。

5）據(jù)調(diào)查，該焊縫是在東北某廠房的冬季焊接的，焊接時該廠房的供暖設(shè)備出現(xiàn)故障，整個焊接過程中的環(huán)境溫度低于0 ℃，并且未在焊后采取緩冷保溫措施。上述操作違反了該廠內(nèi)“當(dāng)焊接環(huán)境溫度低于0 ℃時，在焊接過程中應(yīng)搭建防護(hù)棚，焊后應(yīng)采取緩冷保溫措施”的要求，由于低溫環(huán)境及焊后冷速過快，導(dǎo)致該處熱影響區(qū)硬度高出母材硬度82 HV，已不符合廠內(nèi)工藝的要求，從而使熱影響區(qū)塑性降低。

在檢查生產(chǎn)記錄的過程中，發(fā)現(xiàn)角焊縫端部焊接熱輸入過大，使該處母材表面在焊接時產(chǎn)生了凹坑缺陷（如圖3中所示的A點），從而使該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，且該處熱輸入過大導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)具有較高的焊接應(yīng)力。

6）綜上所述，樣管裂紋產(chǎn)生的位置符合低塑性脆性裂紋的特征，低塑性脆性裂紋一般產(chǎn)生于淬硬區(qū)中，如圖5所示，淬硬區(qū)具有硬度高、變形能力小、韌性低、內(nèi)應(yīng)力大的特征。

圖5 焊接冷裂紋產(chǎn)生的區(qū)域

本次分析的樣管由于焊接不規(guī)范，導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度高、塑性低，焊縫及熱影響區(qū)焊接應(yīng)力高，熱影響區(qū)具有淬硬區(qū)的特征。且樣管外壁有凹坑缺陷，為該處產(chǎn)生低塑性脆性裂紋創(chuàng)造了條件。運行的過程中樣管又受到外界應(yīng)力的作用，由圖4（d）可以看到，裂紋貫穿后，在外界應(yīng)力的作用下，裂紋一側(cè)的母材受到拉扯而高于另一側(cè)的母材。外界應(yīng)力的來源可能是管膨脹受阻時產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，或者快速升降負(fù)荷時產(chǎn)生的交變應(yīng)力。

3 結(jié)束語

1）樣管的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織均滿足GB／T 5310—2017對12Cr1MoVG材料的規(guī)定。

2）水冷壁側(cè)包墻管泄漏原因：水冷壁管與鰭片焊接時，由于焊接不規(guī)范（環(huán)境溫度低而未采取措施、焊縫端部焊接熱輸入大），造成該處焊接熱影響區(qū)硬度偏高、塑性降低、焊接應(yīng)力高，且該處外壁有凹坑焊接缺陷，使該處應(yīng)力集中，在外界應(yīng)力的作用下，低塑性脆性裂紋在外壁凹坑處產(chǎn)生并向內(nèi)壁擴(kuò)展，最終發(fā)生泄漏。

3）建議在焊接的過程中嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行，環(huán)境溫度低時，加強(qiáng)保溫及緩冷措施。起弧、收弧處等易產(chǎn)生焊接缺陷區(qū)域加強(qiáng)焊接質(zhì)量控制，焊機(jī)啟動后應(yīng)在機(jī)器狀態(tài)穩(wěn)定時再進(jìn)行焊接。焊后加強(qiáng)焊縫表面缺陷的排查，發(fā)現(xiàn)有凹坑缺陷時，及時進(jìn)行打磨、焊補(bǔ)等措施，避免局部應(yīng)力集中。必要時應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理，消除焊縫及熱影響區(qū)焊接應(yīng)力，提高焊縫及熱影響區(qū)塑性。