鍋爐水冷壁管泄漏事故失效分析

林星豪, 王美歡, 張凌瀚, 黃芳建, 蔣 鵬,楊 磊, 張 浩, 史志剛

(1. 華能(福建)能源開發(fā)有限公司福州分公司, 福州 350200;2. 西安熱工研究院有限公司,西安 710054)

火力發(fā)電機(jī)組作為傳統(tǒng)的電力供應(yīng)源,目前在中國仍然是最重要的電力供應(yīng)設(shè)施。水冷壁是火力發(fā)電機(jī)組中重要的熱交換設(shè)備,在燃燒中超過40%的熱量由水冷壁吸收[1-4]。同時(shí),水冷壁是機(jī)組最主要的蒸發(fā)受熱面,其運(yùn)行工況也是整個(gè)機(jī)組中較為惡劣的。水冷壁管材質(zhì)劣化氧化[5]、管子腐蝕[6-7]、管子設(shè)計(jì)與加工工藝不合理[8-9]、焊接工藝與金屬監(jiān)督執(zhí)行不到位[10-13]和運(yùn)行時(shí)氧化物剝落堆積[14]等多種原因都可能造成爆管泄漏事故。

在機(jī)組檢修和調(diào)停過程中,多數(shù)電廠秉承“逢停必查”的原則對(duì)鍋爐受熱面進(jìn)行多次防磨防爆檢查。但是,由于水冷壁等重要受熱面泄漏造成的機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的次數(shù)占比仍然遠(yuǎn)高于其他設(shè)備故障所造成的非計(jì)劃停運(yùn)的次數(shù)占比[15]。為了做到“長周期、零非停”的機(jī)組運(yùn)行目標(biāo),對(duì)于鍋爐泄漏事故必須進(jìn)行失效分析,才能有針對(duì)性地管控和預(yù)防。

筆者針對(duì)某電廠水冷壁爆管事故進(jìn)行失效分析,對(duì)泄漏的水冷壁管進(jìn)行宏觀觀察、尺寸測量計(jì)算、化學(xué)成分分析、金相分析、力學(xué)性能測試和微觀斷口觀察等,分析討論泄漏原因,總結(jié)預(yù)防措施,為機(jī)組安全運(yùn)行提供參考。

1 鍋爐本體情況

鍋爐為亞臨界壓力自然循環(huán)汽包爐,采用一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng),額定功率為350 MW。鍋爐水冷壁A/B側(cè)墻(右/左側(cè)墻)分別有144根管,材質(zhì)為15Mo3(對(duì)應(yīng)于GB/T 5310-2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》中的15MoG),規(guī)格為Φ66.7×6.2(外徑為66.7 mm、厚度為6.2 mm),含內(nèi)螺紋14牙。發(fā)生水冷壁管泄漏事故前,機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行1.45×105h。

2 失效分析過程與結(jié)果

2.1 失效件宏觀觀察與尺寸分析

在爐膛檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)A側(cè)水冷壁的第80、81根管(管子編號(hào)為A80、A81)在14.3 m標(biāo)高處存在泄漏點(diǎn),A80管存在2處漏點(diǎn),A81管存在1處漏點(diǎn),同時(shí)管子間的鰭片上存在1處裂紋。管子泄漏處附近無水冷壁吹灰器,并且管子外觀無明顯因吹灰磨損而減薄的現(xiàn)象,因此可以排除吹灰磨損導(dǎo)致水冷壁管泄漏。

將泄漏水冷壁管從爐膛中切下,樣管的宏觀形貌見圖1。從圖1(a)、圖1(f)中可以看出,A80和A81管間的角焊縫位置存在大面積補(bǔ)焊痕跡,鰭片及角焊縫位置的補(bǔ)焊形貌凸凹不平,存在多處過度臺(tái)階狀形貌(見圖1(d)),由于焊接質(zhì)量與焊縫成形較差,使得該區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。進(jìn)一步觀察,在A80和A81管間的向火面可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)泄漏點(diǎn)且僅在泄漏點(diǎn)旁的母材及鰭片上存在蒸汽沖刷痕跡(圖1(b))。A80和A81管間的向火面鰭片有1條長約22 mm的縱向裂紋(圖1(c)),其背火面鰭片有1條長約10 mm的橫向裂紋(圖1(e))。檢修維護(hù)記錄顯示,于2013年更換過A80管,于2019年更換過A81管,因此推斷A80與A81管間的鰭片焊縫在2019年形成。

圖1 泄漏水冷壁管的宏觀形貌

觀察圖1(b)中泄漏點(diǎn)A、B、C可以發(fā)現(xiàn):泄漏點(diǎn)A附近的管子無明顯吹損痕跡,而泄漏點(diǎn)B與C附近的母材存在明顯的減薄現(xiàn)象。可以判斷泄漏點(diǎn)A為第一泄漏點(diǎn),在A點(diǎn)泄漏后,噴出的工質(zhì)對(duì)B點(diǎn)附近的母材沖刷而造成B點(diǎn)泄漏,故在泄漏點(diǎn)B附近的管子母材與鰭片處可以觀察到明顯的工質(zhì)沖刷痕跡。C點(diǎn)泄漏的原因可能是B點(diǎn)泄漏噴出的工質(zhì)沖刷C點(diǎn)附近的母材,同時(shí)A點(diǎn)泄漏的工質(zhì)也可能在B點(diǎn)附近的管子沖刷反彈至C點(diǎn),最終造成C點(diǎn)的泄漏。

為分析鰭片的焊接質(zhì)量,將圖1(f)中的DK區(qū)域沿鰭片與管子角焊縫位置切割取樣,得到焊縫鰭片處和水冷壁管內(nèi)壁試樣(分別見圖1(g)、圖1(h)),發(fā)現(xiàn)A80管鰭片處的橫向裂紋已經(jīng)穿透管樣內(nèi)壁,在內(nèi)壁長約32 mm。用三點(diǎn)抗彎法打開斷口,裂紋斷面呈灰黑色,角焊縫向管樣母材方向有放射狀條紋(見圖1(i))。

測量計(jì)算圖1(f)中泄漏管樣的外徑和壁厚,結(jié)果見表1。由表1可知:A80和A81管吹損部位(WZ-2)的壁厚存在明顯減薄,其余部位的外徑蠕變應(yīng)變和壁厚減薄量符合DL/T 438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 尺寸測量計(jì)算結(jié)果

2.2 化學(xué)成分分析

按照GB/T 223系列標(biāo)準(zhǔn),在A80管上取樣,使用Thermo iCAP 6000型光譜儀對(duì)母材和角焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析,A80管樣的化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。與GB/T 5310-2017中的15MoG化學(xué)成分對(duì)比,結(jié)果表明A80管樣的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的要求,并且A80管樣母材中有害元素S、P含量均較低,因此發(fā)生熱/冷脆的可能性較低[16]。A80管樣角焊縫的主要合金元素為Mn和Mo,與管樣母材成分基本一致,因此可以確認(rèn)焊材的選取不存在問題。

表2 A80管樣化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3 金相分析

取圖1(a)中的JX區(qū)域試樣和圖1(f)DK區(qū)域中的斷面試樣,制備2個(gè)母材金相試樣、2個(gè)角焊縫金相試樣和1個(gè)斷面金相試樣,金相試樣的宏觀形貌見圖2。

圖2 金相試樣宏觀形貌

采用OLYMPUS GX71光學(xué)顯微鏡觀察試樣的金相組織圖,結(jié)果見圖3。2根水冷壁管樣母材的顯微組織為鐵素體+珠光體,珠光體未發(fā)生球化現(xiàn)象,顯微組織的老化級(jí)別為1～2級(jí),向火面與背火面組織均未見異常(圖3(a)-(d))。結(jié)合管子的服役時(shí)長,可以排除水冷壁管由于長時(shí)運(yùn)行造成組織變化而發(fā)生泄漏。從圖3(e)中可見:A80管的角焊縫上存在大量明顯裂紋,并且焊縫的熱影響區(qū)接近水冷壁管內(nèi)壁,其熱影響區(qū)的最寬處約6 mm。從圖3(g)中可見:A81管的角焊縫存在未焊透現(xiàn)象,熱影響區(qū)的寬度約為2 mm。從圖3(f)中可見:A80管角焊縫中的大量裂紋均為沿晶開裂,部分裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到熱影響區(qū)中,焊縫組織為明顯過熱的鐵素體+魏氏體組織。A81管角焊縫中也存在少量沿晶裂紋,焊縫為過熱的鐵素體+魏氏體組織(見圖3(g)、(h))。在斷面金相圖中觀察到整個(gè)壁厚均為熱影響區(qū),并且角焊縫中存在沿晶開裂的裂紋,一些裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到管樣的熱影響區(qū)中(見圖3(i))。焊縫及熱影響區(qū)均為粗大網(wǎng)狀的過熱組織(見圖3(j)、(k))。

圖3 金相組織圖

2.4 硬度與拉伸試驗(yàn)分析

取失效水冷壁管制備拉伸試樣,并且對(duì)樣管母材、樣管與鰭片的角焊縫區(qū)域進(jìn)行硬度測試。為了保證硬度測試的準(zhǔn)確性,分別采用10 kgf(98 N)與1 kgf(9.8 N)載荷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣管母材與角焊縫進(jìn)行測量,試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 硬度與室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知:2根樣管母材的硬度與室溫拉伸強(qiáng)度均符合標(biāo)準(zhǔn);角焊縫及熱影響區(qū)位置的硬度較高,這與焊接后該區(qū)域冷卻較快從而形成魏氏體組織有關(guān)。

2.5 掃描電子顯微鏡形貌觀察

通過掃描電子顯微鏡對(duì)圖1(i)的斷口試樣進(jìn)行微觀分析,并對(duì)部分?jǐn)嗫趨^(qū)域進(jìn)行能譜分析。試樣斷口的掃描電子顯微鏡形貌見圖4,斷面的能譜分析結(jié)果見表4。由圖4(b)可見,角焊縫斷面呈沿晶開裂。由于水冷壁管在開裂失效后,斷口部分區(qū)域一直被泄漏工質(zhì)吹損,導(dǎo)致斷口部分區(qū)域呈現(xiàn)平坦光滑的吹損形貌。結(jié)合斷面的能譜分析,裂紋斷面上主要為Fe和O元素等,未見腐蝕性元素,因此可以排除由于腐蝕造成水冷壁泄漏。

表4 裂紋斷面能譜分析結(jié)果

圖4 斷面的掃描電子顯微鏡形貌

3 結(jié)果分析

由上述檢測與試驗(yàn)結(jié)果可知,水冷壁管泄漏點(diǎn)A為第一泄漏點(diǎn),其余泄漏點(diǎn)是由已泄漏點(diǎn)噴出的高壓工質(zhì)沖刷造成。失效水冷壁管外徑蠕變與壁厚減薄量無異常。2根水冷壁管樣間的鰭片兩側(cè)及角焊縫位置補(bǔ)焊的外觀形貌較差,在機(jī)組啟動(dòng)與變負(fù)荷過程中受到的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。A80管母材與角焊縫的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn),母材的金相組織為鐵素體+珠光體,顯微組織老化評(píng)級(jí)為1～2級(jí),珠光體未發(fā)生明顯球化現(xiàn)象,結(jié)合檢修記錄可以判斷該次泄漏并非由于管子長期服役而造成的長時(shí)失效。2根管樣的焊縫及熱影響區(qū)均為鐵素體+魏氏體組織組成的粗大網(wǎng)狀過熱組織,A80管子角焊縫補(bǔ)焊的熱影響區(qū)寬度較大,2根管樣角焊縫的硬度符合標(biāo)準(zhǔn),但硬度差較大。微觀下,角焊縫中有大量呈沿晶開裂的裂紋,裂紋斷面從角焊縫向管樣母材方向呈放射狀條紋,整個(gè)裂紋斷面除局部吹損痕跡外均為沿晶開裂,并且在斷面中未發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素,結(jié)合壁厚減薄情況,可以排除腐蝕原因造成減薄而導(dǎo)致管子泄漏。

4 結(jié)語

針對(duì)某電廠水冷壁管泄漏事故,通過宏觀觀察、成分分析、金相分析、微觀斷口觀察等研究方法,對(duì)管子進(jìn)行了失效分析。初步認(rèn)為水冷壁管泄漏是因?yàn)樗浔诠軜娱g角焊縫的焊接質(zhì)量不良,存在外觀成形較差、焊縫及熱影響區(qū)組織不合格及熱影響區(qū)寬度過寬等問題。水冷壁管在服役過程中角焊縫內(nèi)的微裂紋受到機(jī)組啟動(dòng)與變負(fù)荷過程造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。受應(yīng)力集中影響,微裂紋從外向內(nèi)不斷沿晶擴(kuò)展,直至管壁裂開引起工質(zhì)泄漏。

為了避免此類問題,應(yīng)加強(qiáng)水冷壁管角焊縫現(xiàn)場焊接管理工作,按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行焊接質(zhì)量檢驗(yàn);避免鰭片焊接出現(xiàn)過度臺(tái)階狀,減少應(yīng)力集中現(xiàn)象;控制焊接時(shí)層間溫度與焊接后焊縫冷卻速度,防止異常組織與微裂紋的形成。