超臨界鍋爐水冷壁管泄漏失效分析

    概況

    某電廠超臨界鍋爐為參數變壓直流本生型600MW鍋爐，一次再熱，單爐膛，尾部雙煙道結構，采用擋板調節再熱汽溫，固態排渣，全鋼構架，全懸吊結構，平衡通風，露天布置。燃用晉南、晉東南地區貧煤、煙煤的混合煤種。鍋爐主要參數如下表1所示。

該鍋爐于2004年開始運行168小時后，發現標高60.4m一水冷壁彎管向火面泄漏，裂縫很窄，長約20mm。其水冷壁管材質為T12，規格為Φ31.8×9.1mm，運行壓力為27MPa，蒸汽溫度為415℃。

1、宏觀檢查

    管段分上彎、直管和下彎三部分，裂縫位于下彎外弧面，周圍有樹紋狀龜裂特征。其中上、下彎暴露于煙氣中而直管段埋于爐墻中，裂縫周圍有渣垢層附著以及煙氣磨擦痕跡。其整體宏觀形貌如照片1所示，裂縫局部形貌如照片2所示。

2、管子外徑和壁厚測量

   對管子的裂縫鼓包處、直管段中間和上彎頭（靠近直管段）所取金相樣進行外徑和壁厚尺寸測量，結果列于表2。

從以上結果可以看出：直管段和上彎頭外徑和壁厚差異不大，而裂縫鼓包處向火—背火側外徑鼓包脹粗嚴重，脹粗率已達21%，同時其壁厚已減薄到1.7mm。

3、試驗分析

3.1 金相試驗

在管子的裂縫處、直管段（靠近下彎頭）和上彎頭（靠近直管段）分別切取一高約15mm 的環樣進行金相試驗，分別標記為1、2 和3號樣。結果表明：

1）1、2和3號樣均發現有球狀氧化物夾雜物，級別評定為2~3級。參見照片3；

2）1號樣向火面爆口處晶粒明顯變形拉長且晶粒位向明顯不同于基體組織，爆口尖端側面及晶粒間有氧化皮特征。背火面組織未發生變形，組織為鐵素體和珠光體，且有一定量的碳化物彌散分布于晶內。參見照片4~照片6；

3）2號樣向火面、背火面組織無明顯差異，組織為鐵素體和珠光體，也有一定量的碳化物彌散分布于晶內。組織形貌示于照片7；

4）3號樣向火面和背火面組織有明顯差異，組織均為鐵素體和珠光體，但向火面部分珠光體已在晶界聚集球化，球化級別可評定為3級，而背火面則沒有球化跡象。參見照片8和9。

從以上結果可以看出：1號和3號樣品組織老化程度較2號樣嚴重，1號樣爆口處已經明顯相變，3號樣品的向火面組織和背火面組織有明顯的差異。

3.2 顯微硬度測量

對1、2和3號管樣分別進行顯微硬度（HV）測量，結果如下：

#2：361.9 HV

#1爆口處：433.6 HV

#1背火面：396.3 HV

#3向火面：325.2 HV

#3背火面：426.4 HV

顯微硬度測量結果表明：#1樣品爆口處顯微硬度值最高，#1樣品背火面和#3樣品背火面的顯微硬度值高于#2樣，#3樣品的向火面顯微硬度低于其背火面而且低于#2樣品。#1樣的顯微硬度高是由于組織相變及晶粒嚴重變形導致的形變硬化，#3樣品向火面的顯微硬度低表明其向火面損傷相對嚴重。

4、分析與討論

    管子宏觀爆口特征與長時過熱特征比較相似，裂縫開口較窄周圍有樹紋狀龜裂特征。但管子僅運行168 小時即泄漏，是屬于長期過熱、短時過熱還是制造質量問題？

1）金相檢驗發現管樣有球狀氧化物夾雜物，其級別為2~3 級，夾雜物偏高與管子失效沒有直接關系。

2）上彎管向火面組織已明顯老化，珠光體球化可評為3 級，這表明管樣老化速率過快，運行時明顯處于過熱狀態，但超溫幅度不是很高，未超過T12 鋼的AC1點（745℃）。

3）爆口處晶粒明顯變形拉長，組織為鐵素體和珠光體，爆口尖端側面及晶粒間有氧化皮特征，而背火面組織未發生變形，組織正常。爆口處組織晶粒位向已經明顯不同于背火面組織，發生了明顯的相變。

綜上所述，爆漏在煙氣處的管子組織老化過快，管子明顯有過熱現象，但導致管子泄露原因應屬于非正常工況導致的短時超溫。管子向火面泄露部位在短時間內溫度過高，已超過T12 鋼的AC1點（745℃），短時超溫導致材料強度急劇下降而發生泄露。鍋爐管的短時超溫爆管，通常由一次或多次嚴重超溫發生鋼管脹粗管壁減薄而爆管。造成管壁短時向內嚴重超溫，原因可分為管內冷卻工質流量減少或中斷和管外煙氣超溫。通常由以下情況引起鍋爐管短時超溫爆管：

1) 管內汽水通道堵塞；

2) 鍋內冷卻工質循環被破壞，或低水位；

3) 上游爐管損壞，使管內冷卻工質減少或中斷；

4) 爐內燃燒過量或不穩定。

因此應加強對以上各項的監督檢驗以預防爆管的再次發生。