某電廠水冷壁管對接焊縫泄漏原因分析

徐 亮,龔 巍,王洪濤, 董欣宇,閆興泉

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司,哈爾濱 150046)

0 引 言

電站鍋爐的水冷壁通常布置于爐膛四周,其既能吸收爐膛中煤粉燃燒時的輻射熱量,使火焰溫度降低,又可以保護爐墻不致被燒壞。水冷壁管普遍采用薄壁小口徑管,在車間生產和現場安裝過程中存在大量的對接焊縫,焊縫焊接質量的優劣將會直接影響水冷壁的冷卻效果,進而影響鍋爐機組的安全運行。近年來,火力發電廠水冷壁小口徑管對接焊縫發生大面積裂紋的事件頻繁發生,有的是在安裝后無損檢測時發現,有的是在機組安裝完成后整體水壓時發現,但大部分是在機組運行過程中發生水冷壁管泄漏時才發現[1-3]。水冷壁管對接焊縫發生泄露,不僅影響鍋爐的正常運行,給業主帶來極大的經濟損失,同時也大大增加機組的運維成本[4-5]。因此,通過對某電廠660 MW超超臨界鍋爐水冷壁焊接裂紋產生原因進行深入分析,并提出預防措施,以減少同類事故的發生。

1 事件過程

某電廠投運時間不到3個月,水冷壁管發生泄漏,停爐后對爐內進行檢查發現水冷壁前墻2號角-鍋爐中心線,標高47.45 m工地焊口爐內側存在多處平行于管口的橫向裂紋,其中8處在焊口與母材融合線上方,39處在焊口與母材融合線下方。泄漏管的材質為15CrMoG,規格為φ28.6×5.8 mm。

2 試驗項目

對泄漏的前墻水冷壁管取樣進行宏觀檢查和理化試驗分析,取樣的管子為前墻水冷壁從左向右第328～331根,4根管的材質和規格均相同,管子現場形貌如圖1所示,取樣的位置如圖2所示。

圖1 現場水冷壁裂紋

圖2 送檢樣管

2.1 宏觀檢查

觀察樣管整體宏觀形貌可知,樣管存在較為嚴重的整體彎折變形現象,彎折角度約20°,彎折起始點為管屏左端環狀焊縫附近。樣管向火側外表面有灰白色覆蓋物,向火面未發現明顯結焦現象, 樣管直管段區域的外徑未見脹粗。其中第329～331根管子對接環縫附近處,在焊縫根部熔合線區域的向火面和背火面均發現明顯的環狀裂紋,而第328根管子焊縫附近未發現肉眼可見開裂。管屏側面照片及裂紋處局部如圖3所示。

圖3 送檢管屏宏觀形貌

圖4 1號試樣金相組織形貌

圖5 2號試樣金相組織形貌

圖6 5號試樣各位置顯微組織

2.2 化學分析

在第328(無裂紋)和329(有裂紋)根管上分別取1號和2號圓環試樣,采用OBLFQSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析,結果見表1。結果顯示:樣管母材的化學成分含量均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規定。

表1 送檢樣品化學成分分析結果

2.3 拉伸試驗

在第328和329根管的背火面上分別取3號和4號縱向條狀拉伸試樣,采用型號為WDW-300E的電子萬能試驗機進行拉伸試驗,結果見表2。試驗結果表明,樣管的拉伸性能符合GB/T 5310—2017標準對15CrMoG材料的規定。

表2 送檢樣管室溫拉伸檢測結果

2.4 硬度檢測

在第328和329根管上取1號和2號圓環硬度試樣,采用THVS-50維氏硬度計進行硬度檢測。在第329根管的向火面,取帶有兩側母材和焊縫的5號縱剖面試樣進行硬度檢測。硬度檢測結果見表3。

表3 送檢樣管維氏硬度檢測結果

試驗結果表明:送檢樣管母材的硬度值符合GB/T 5310—2017標準對15CrMoG的規定,對接焊縫的硬度值滿足DL/T 869—2021《火力發電廠焊接技術規范》要求。

2.5 金相組織分析

在第328和329根管上分別取1號、2號圓環試樣和5號縱向試樣(向火面),對試樣磨制、拋光和腐蝕(4%硝酸酒精)后,在Axiovert200MAT顯微鏡下對3個試樣進行微觀金相檢測,結果見表4。試驗結果表明:樣管母材的金相組織和晶粒度符合GB/T 5310—2017標準對15CrMoG材料的規定。樣管焊縫金相組織符合材質特征, 在焊縫中未發現焊接缺陷或焊接不允許存在的組織。

表4 送檢樣管金相檢測結果

3 綜合分析

3.1 母材影響

通過對有裂紋和無裂紋管取樣進行理化檢測,可知其理化性能均符合GB/T 5310—2017標準對15CrMoG材料的規定。同時從裂紋微觀形貌可知,主裂紋位于熔合線處,由此說明送檢樣管焊縫熔合線處裂紋的產生與管子母材無關。

3.2 焊縫焊接工藝影響

焊縫的金相和硬度檢測結果表明,樣管的焊縫硬度滿足DL/T 869—2021標準要求,樣管焊縫金相組織符合材質特征,且在焊接接頭中未發現焊接缺陷或焊接不允許存在的組織,同時送檢試樣上的主裂紋位于焊接熔合線處,由此說明熔合線處裂紋的產生與該焊縫的焊接工藝無關。

3.3 運行溫度影響

通過硬度和金相檢測結果可知,有裂紋和無裂紋樣管上其各自的向火面和背火面的硬度值接近,金相組織和晶粒度相同,說明兩根管子向火面和背火面的溫度相差不大。同時管子的向火面和背火面的金相組織,既沒有發生相變也未發生組織老化。由此說明送檢樣管在運行時未發生過熱。

3.4 裂紋原因分析

由于焊縫區的金屬受熱發生膨脹,而焊縫周圍相對冷的金屬會阻礙膨脹,使焊縫受熱區金屬受到壓縮應力,由此可推斷,出現裂紋區域的管屏在管子長度方向膨脹受阻,其內部結構應力無法釋放,導致該管屏發生了嚴重的彎曲變形。通過觀察樣管整體宏觀形貌,也可發現4根樣管的對接焊縫位置變形最為嚴重。

就對接焊接接頭而言:焊縫有焊縫余高的加強;管子母材不受焊接時的熱輸入影響,組織均勻性能一致,無受熱造成的薄弱區;焊縫根部的熔合線區域受焊接熱影響為焊接接頭的薄弱區,同時熔合線區存在變截面(管子母材和焊縫余高存在高度差)導致該區存在應力集中。送檢樣管上的裂紋均位于管子焊縫根部熔合線區,由此表明,對接焊縫根部的熔合線區域為管屏焊接接頭最薄弱的區域,易產生裂紋。

造成該電廠水冷壁管子膨脹受阻的原因是:管子之間熱負荷偏差較大、現場安裝時吊裝不當或管屏對接焊時強制對口等。

4 結 語

通過宏觀檢查和理化試驗對有裂紋管和無裂紋管進行對比并綜合分析,判斷該電廠水冷壁管泄漏是因水冷壁管屏安裝完成后,在管子長度方向膨脹受阻,膨脹受阻區的結構應力無法釋放。鍋爐運行時,在結構內應力和運行壓力的共同作用下,在管屏對接焊縫處發生了嚴重的變形,進而導致在最薄弱的焊縫熔合線區域發生了開裂,裂紋在共同應力作用下慢慢擴展并貫穿壁厚開裂,最終造成管屏泄漏。

為有效控制水冷壁管屏膨脹受阻引發對接焊縫產生裂紋情況發生,保障大型電站鍋爐的安全運行,提出以下預防措施。

1)施工現場地面預拼裝時,應認真檢查水冷壁管屏間對接焊縫的對口情況,將管屏對口難題在地面解決,避免出現吊裝后在高空進行強制對口。

2)現場安裝時選取好吊管點,避免管屏在吊裝時發生變形等情況。

3)增加泄漏區域溫度測點,在后續運行時監督管屏的熱負荷情況,避免管子間熱負荷產生較大偏差。