分享：15CrMoG钢水冷壁爆管原因

锅炉受热面“四管”泄漏会使火电机组停机[1-2]。锅炉“四管”中水冷壁管所处的环境最为苛刻，管内外服役环境差异较大，受力最复杂，烟气腐蚀最严重，在服役过程中易发生吹损减薄、高温腐蚀、超温、碱腐蚀等事故，导致水冷壁管泄漏[3-5]。 

某电厂2号锅炉为一次再热、平衡通风、全悬吊结构Π型超超临界参数变压直流炉，机组子2010年投运，累计运行时间为8 685.48 h。水冷壁设计介质的压力为31 MPa，温度为480 ℃。炉膛水冷壁为内螺纹管垂直上升式焊接膜式壁，其材料为15CrMoG钢，规格为28.6 mm×6.4 mm（直径×厚度）。前墙标高48 m处一水冷壁管（自炉左侧第74根管，EF层燃烧器上部偏炉右，处于蒸发区域）发生爆管事故，附近21根管子有横向裂纹。笔者采用一系列理化检验方法对水冷壁爆管原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

对爆口处和远离爆口处的水冷壁管进行宏观观察，结果如图1所示。由图1可知：爆口处水冷壁管表面有明显的结垢，在向火侧表面分布有大量平行横向条纹，主爆口靠近焊缝，背火侧无结垢；远离爆口处的水冷壁管向火侧表面无结垢，在向火侧表面也有平行横向条纹。 

图  1  爆口处和远离爆口处水冷壁管的宏观形貌

对爆口处和远离爆口处水冷壁管的剖面进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知：两个管子的向火侧外壁均可见大量的横向微裂纹，裂纹由外壁向内壁直线扩展，裂纹长短不一，有较明显的热疲劳裂纹特征；两个管子的背火侧未见明显裂纹。 

图  2  爆口处和远离爆口处水冷壁管剖面的宏观形貌

1.2   化学成分分析

对开裂水冷壁管进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：开裂水冷壁管的化学成分符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对15CrMoG钢的要求。 

1.3   力学性能测试

在开裂水冷壁管的背火侧取样，依据GB/T 228—2021《金属材料 室温拉伸试验方法》，利用电子拉伸万能试验机对试样进行拉伸试验，采用弧形试样，保留试样原始表面状态，拉伸试验结果如表2所示。由表2可知：试样的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均满足GB/T 5310—2017对15CrMoG钢的要求。 

在爆口处和远离爆口处的水冷壁管上取样，依据GB/T 231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》，采用台式硬度计对试样进行硬度测试，载荷为1 838.7 N，保持时间为10 s，硬度测试结果如表3所示。由表3可知：爆口处和远离爆口处的水冷壁管硬度均满足DL/T 438—2016 《火力发电厂金属技术监督规程》的要求（118~180 HBW），且向火侧和背火侧的硬度无显著差异。 

1.4   金相检验

依据DL/T 884—2019 《火电厂金相检验与评定技术导则》对爆口处水冷壁管进行金相检验，结果如图3所示。由图3可知：向火侧组织为铁素体+贝氏体，珠光体部分已经分散，但仍保持原区域形态，球化级别为2~2.5级；背火侧组织为铁素体+贝氏体，珠光体形态完整，球化级别为1级。相对背火侧组织，向火侧组织的球化程度略高，表明向火侧金属壁温度较高，这在一定程度上加速了材料老化。 

图  3  爆口处水冷壁管的显微组织形貌

爆口处水冷壁管的微观形貌如图4所示。由图4可知：向火侧外壁存在大量横向裂纹，多数裂纹形态为楔形，从外壁向内壁扩展，裂纹区域内存在氧化腐蚀产物，裂纹端部呈圆钝状，裂纹扩展形式为穿晶扩展，呈开裂→钝化→开裂特征[6-8]；向火侧内壁也存在横向裂纹，其形态与外壁裂纹类似，但数量和长度少于外壁裂纹；背火侧内外壁均未发现裂纹。 

图  4  爆口处水冷壁管的微观形貌

1.5   扫描电镜（SEM）及能谱分析

利用扫描电镜和能谱仪对水冷壁管向火侧外壁的垢样进行分析，结果如图5所示。由图5可知：该垢样主要为烟灰成分，且含有较高浓度的S元素。 

图  5  水冷壁管向火侧外壁垢样的SEM形貌及能谱分析结果

利用扫描电镜和能谱仪对水冷壁管裂纹处进行能谱分析，结果如图6所示。由图6可知：该区域内存在S、Na、Ca等元素。 

图  6  水冷壁管裂纹处的SEM形貌及能谱分析结果

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：开裂水冷壁管的力学性能满足相关标准要求；爆口处管子向火侧组织为铁素体+贝氏体，珠光体部分已经分散，但仍保持原区域形态，球化级别为2~2.5级，管材硬度为149 HBW，说明材料处于老化的初期阶段；爆口处管子背火侧仍保持原珠光体区域特征，碳化物无明显扩散特征。同一管排向火侧、背火侧的组织存在差异，表明运行过程中，向火侧金属壁温度较高，这在一定程度上加速了材料老化。向火侧硬度满足标准要求，表明材料尚未发生严重的组织劣化、性能降低，故可排除因超温运行引起爆管的可能。 

爆口处管上的裂纹为横向平行裂纹，呈楔形，管内外壁均有大量裂纹，裂纹均呈穿晶形态扩展；裂纹扩展具有明显的方向性，一般与管壁周向应力垂直；外壁裂纹充满腐蚀性产物，主要含有S元素；内壁裂纹几乎无腐蚀产物、氧化产物；相比内壁裂纹，外壁裂纹较多且较深。表明裂纹为典型的热疲劳裂纹。 

外壁裂纹的扩展过程为：萌生→扩展→粗化→再萌生→再扩展→再粗化。外壁裂纹内部充满了含S、Na、C等元素的盐类腐蚀产物，该类产物为低合金钢热腐蚀时硫酸盐作用于氧化皮而生成的复合硫酸盐，复合盐与裂纹尖端处的含Fe氧化物反应，从而形成氧化物生产、溶解及再沉积过程，连续完整的氧化膜被破坏，形成了疏松氧化物层，从而导致腐蚀加剧[9]。 

结合电厂实际的水冷壁温度监测数据可知，管子频繁出现温度波动的情况，该开裂区域的温差最高达到148 ℃；当锅炉运行工况发生变化时，由于汽水管道介质状态的变化会改变受热面各区段所占的长度，即加热、蒸发、过热过程的分界点将随之发生前后移动，从而造成某一区段温度大幅下降或升高，形成了热疲劳破坏的外部条件。水冷壁管内介质存在明显温度波动，尤其是开裂部位处于波动幅度较大的蒸发段区域（水、汽交变频繁区域），机组频繁调峰以及运行工况不稳定造成该区域温度频繁波动，导致管子发生热疲劳开裂，管子内外壁均存在开裂倾向，当管外壁开裂后，腐蚀性烟气会进一步加速裂纹扩展。 

3.   结语及建议

机组频繁调峰以及运行工况不稳定造成管子蒸发段区域发生热疲劳开裂，外壁开裂后，腐蚀性烟气加速了裂纹的扩展，最终导致水冷壁管发生爆管事故。 

建议对直流锅炉中汽水分界线发生波动的部位进行检修，对蒸发段附近管段进行检查，对发现的问题及时处理。调整运行工况可减少蒸汽温度波动。 

文章来源——材料与测试网