某電廠水冷壁管冷灰斗角焊縫泄漏原因分析

摘" 要：某電廠2#爐在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)水冷壁下部冷灰斗角焊縫處出現(xiàn)一處泄漏。對出現(xiàn)泄漏的樣管開展化學(xué)成分分析、力學(xué)性能、宏觀檢查及金相分析。試驗(yàn)結(jié)果及分析表明，角焊縫存在帶明顯尖角的夾渣焊接缺陷，在焊接應(yīng)力下產(chǎn)生裂紋，裂紋在鍋爐運(yùn)行過程中向管子內(nèi)壁擴(kuò)展，并形成貫穿型裂紋，導(dǎo)致發(fā)生蒸汽泄漏。

關(guān)鍵詞：水冷壁；角焊縫；泄漏；裂紋；鍋爐

中圖分類號(hào)：TM621.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）14-0078-04

Abstract： During the operation of the furnace in a power plant， a leakage was found at the corner weld of the cold ash bucket at the lower part of the water wall. Chemical composition analysis， mechanical properties， macroscopic inspection and metallographic analysis were carried out on the leaked sample tube. The test results and analysis show that there is a slag welding defect with obvious sharp angle in the fillet weld， which produces cracks under welding stress， and the cracks propagate to the inner wall of the pipe during the operation of the boiler， and form penetrating cracks， thus resulting in steam leakage.

Keywords： water wall; fillet weld; leakage; crack; boiler

鍋爐產(chǎn)品作為大型電站設(shè)備，目前應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)鍋爐安全技術(shù)規(guī)范，要保障鍋爐安全運(yùn)行，預(yù)防和減少事故，在生產(chǎn)制造過程中，就要嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制。近些年，因鍋爐安全管控不到位造成的事故屢有發(fā)生，對電廠財(cái)產(chǎn)和人員生命安全造成極大威脅。泄漏作為較嚴(yán)重的質(zhì)量問題，一旦產(chǎn)生，破壞程度較大。因此，出現(xiàn)泄漏事故后，分析電廠泄漏原因，制定有針對性的措施，對于降低事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，提升電廠鍋爐安全性具有重大意義。

產(chǎn)生泄漏質(zhì)量缺陷的因素有很多，按性質(zhì)分類主要有設(shè)計(jì)問題、焊接問題及原材料問題等，從結(jié)構(gòu)來看主要存在于鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器中，即“四管”泄漏問題。針對“四管”泄漏的原因有管材裂紋硬傷、磨損減薄、超溫和異物堵塞等，需要通過取樣化學(xué)分析等手段進(jìn)行缺陷的分析與定性，得出結(jié)論。

某電廠2#爐在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)水冷壁下部冷灰斗出現(xiàn)一處泄漏，漏點(diǎn)位于水冷壁與梳型板角焊縫處（2塊相關(guān)梳型板端部結(jié)合處）。泄漏管子材質(zhì)為SA-210C，規(guī)格為Ф63.5×7 mm，泄漏點(diǎn)位于水冷壁向火面。從現(xiàn)場取回一段帶有泄漏點(diǎn)的管子，形貌如圖1所示。管子上的泄漏點(diǎn)在圖1和圖2中白色箭頭所指處。

1" 試驗(yàn)項(xiàng)目

1.1" 試樣制備及檢測設(shè)備

在圖1（a）的泄漏管段背火面取力學(xué)性能檢測試樣（縱向條狀拉伸試樣及硬度試樣），試樣號(hào)1-1；在圖1（a）中1-1#試樣左側(cè)取1-2#縱向金相試樣。在圖1（b）所示泄漏管段向火面取縱向金相試樣，試樣號(hào)2-2。在圖1（a）的管段右端取3#化學(xué)試樣。

本分析開展檢測所用的全部試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法具體見表1。

1.2" 化學(xué)成分分析

采用德國進(jìn)口設(shè)備OBLFQSN750型直讀光譜儀對3#試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示：樣管母材的化學(xué)成分含量均符合ASME SA-210《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》標(biāo)準(zhǔn)對SA-210C化學(xué)成分的要求。

1.3" 力學(xué)性能檢測

對所制備的1-1#試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。在1-2#和2-2#金相試樣的縱剖面上進(jìn)行布氏硬度檢測，并將2-2#試樣的硬度值按ASME SA-370—2021《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》標(biāo)準(zhǔn)換算成強(qiáng)度值，結(jié)果見表3。

1.4" 宏觀檢測

在圖1（b）和圖2中可以看到，泄漏點(diǎn)位于水冷壁管子與梳型板角焊縫處。在圖2中箭頭所指處的角焊縫上可以看到裂紋。為了查找泄漏點(diǎn)管子內(nèi)外壁的情況，在距角焊縫左右兩側(cè)各10 mm處將該管段鋸下來，在管段內(nèi)壁可以發(fā)現(xiàn)一條長8 mm的縱向裂紋。

觀察管子內(nèi)壁裂紋，發(fā)現(xiàn)其在管子上的位置正好與外壁泄漏點(diǎn)處在同一位置，兩者隔著管壁相對應(yīng)；裂紋長度與管子外壁的角焊縫的寬度一致。在泄漏點(diǎn)處（水冷壁管的角焊縫的根部）進(jìn)行鋸切取樣。鋸切后帶有角焊縫管段的內(nèi)壁可以清晰地看到縱向裂紋；同時(shí)在管樣端部存在一條貫穿壁厚的裂紋，裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋尖端與內(nèi)壁縱向裂紋相連。觀察到角焊縫橫截面上存在夾渣和氣孔等焊接缺陷。兩處夾渣帶有明顯的尖角，小夾渣最大尺寸接近1 mm，大夾渣最大尺寸接近2 mm；氣孔接近橢圓型，其邊界圓滑過渡，最大尺寸2.5 mm。在磨制過程中發(fā)現(xiàn)，隨磨制次數(shù)的增加，橫截面上裂紋的寬度越來越大，夾渣和氣孔缺陷的尺寸也越來越大。裂紋起源于角焊縫的焊接缺陷處，垂直管壁向內(nèi)壁擴(kuò)展時(shí)分成2條。一條終止于小夾渣的一個(gè)尖角處，并從小夾渣另一個(gè)尖角處繼續(xù)向內(nèi)壁擴(kuò)展，直至貫穿壁厚；另一條沿環(huán)向在焊縫內(nèi)擴(kuò)展并終止于大夾渣處，并從大夾渣另一個(gè)尖角處繼續(xù)沿環(huán)向在焊縫內(nèi)擴(kuò)展。

1.5" 金相檢測

對背火面1-2#試樣和向火面2-2#試樣進(jìn)行微觀金相檢測，主要對金相組織、晶粒度進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果見表4。100倍的金相組織圖片如圖3和圖4所示。其中F表示鐵素體，P表示珠光體。

對圓環(huán)橫截面磨制、拋光后，用4%的硝酸酒精溶液浸蝕。浸蝕后在光鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)橫截面裂紋起源于焊縫，向熱影響區(qū)和管子母材擴(kuò)展，最后貫穿整個(gè)壁厚，裂紋整體形貌如圖5和圖6所示。

2" 結(jié)果分析

1）通過表2中的數(shù)據(jù)，說明樣管的化學(xué)成分符合ASME SA-210C的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）通過表3中的數(shù)據(jù)，說明樣管背火面的管強(qiáng)度、硬度和斷后伸長率符合ASME SA-210C的標(biāo)準(zhǔn)要求。樣管向火面的硬度和換算抗拉強(qiáng)度符合ASME SA-210C的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）通過表4中的數(shù)據(jù)，說明樣管的晶粒度符合ASME SA-210C的標(biāo)準(zhǔn)要求；樣管的金相組織符合材質(zhì)的特征。

4）通過對管子角焊縫根部（泄漏點(diǎn)）橫截面上的裂紋宏觀形貌進(jìn)行觀察，可判斷裂紋起源于管子外壁角焊縫的焊接缺陷處，并向內(nèi)壁擴(kuò)展到夾渣的尖角處，在另一個(gè)尖角處繼續(xù)向母材方向擴(kuò)展直至貫穿壁厚。

5）通過對管子角焊縫根部（泄漏點(diǎn)）橫截面上的裂紋微觀形貌進(jìn)行觀察，可確定管子角焊縫橫截面上的夾渣、氣孔等焊接缺陷均處于角焊縫的焊縫區(qū)。同時(shí)可以確定裂紋在焊縫處產(chǎn)生，向管子母材擴(kuò)展并貫穿壁厚。

6）結(jié)合管子角焊縫橫截面上裂紋的宏觀和微觀形貌特征，可判斷導(dǎo)致本次泄漏的原因是：角焊縫焊接時(shí)在焊縫區(qū)存在焊接缺陷，并在焊接缺陷處產(chǎn)生裂紋，裂紋在焊接應(yīng)力和鍋爐運(yùn)行壓力下向管子母材內(nèi)壁擴(kuò)展，最后形成貫穿型裂紋，導(dǎo)致發(fā)生蒸汽泄漏。

3" 結(jié)論

1）發(fā)生泄漏的電廠2#爐水冷壁原材料管的化學(xué)成分、力學(xué)性能和晶粒度符合ASME SA210C的標(biāo)準(zhǔn)要求。金相組織也符合材質(zhì)的特征。

2）某電廠2#爐水冷壁發(fā)生泄漏的原因是管子外壁與梳型板焊接的角焊縫存在帶明顯尖角的夾渣焊接缺陷，在焊接應(yīng)力下產(chǎn)生裂紋，裂紋在鍋爐運(yùn)行過程中向管子內(nèi)壁擴(kuò)展，并形成貫穿型裂紋，導(dǎo)致發(fā)生蒸汽泄漏。

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