分享：锅炉水冷壁管横向裂纹形成原因分析

梁宝琦

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司 高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室,哈尔滨 １５００４６)

摘 要:某锅炉在运行期间发生水冷壁管泄漏事故,检查发现数十根管材外壁存在横向裂纹.通过宏观检查、化学成分分析、力学性能测试、金相检验和扫描电镜分析,对锅炉水冷壁管横向裂纹的形成原因进行了分析.结果表明:在壁温波动导致的热疲劳应力和腐蚀气氛的共同作用下,锅炉水冷壁管向火侧管壁发生了腐蚀疲劳开裂,形成了密集的横向裂纹,最终导致水冷壁管泄漏.

关键词:水冷壁管;横向裂纹;热疲劳应力;腐蚀气氛;腐蚀疲劳

中图分类号:TG４０５ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５３６Ｇ０４

锅炉水冷壁管的可靠性直接关系到电厂机组的安全有效运行,因此对锅炉水冷壁管的失效分析及在此基础上的预防和监督措施就显得尤为重要[１].

某锅炉在运行期间发生水冷壁管泄漏事故,停炉检查发现泄漏的水冷壁管位于冷灰斗区域,其向火侧外壁存在横向裂纹,进一步检查发现前后墙冷灰斗区域的水冷壁管有数十根存在横向裂纹.该锅炉采用垂直管圈的膜式水冷壁结构,存在横向裂纹的水冷壁管 为 内 螺 纹 管,材 料 为 １５CrMoG 钢,规 格 为?３５mm×６．５ mm,截 止 泄 漏 机 组 累 计 运 行 了 约４０００h.为分析水冷壁管横向裂纹的形成原因,笔者对其进行了宏观检查、化学成分分析、力学性能测试、金相检验和扫描电镜分析,以避免类似事故重复发生.

１ 理化检验

１．１ 宏观检查

对两根泄漏的水冷壁管进行宏观检查,泄漏水冷壁管的宏观形貌如图１所示.可见两根水冷壁管向火侧均有一条横向裂纹位于焊缝附近,背火侧则未见裂纹;两根水冷壁管的向火侧表面覆盖较厚的灰分或氧化物,背火侧表面则没有灰分或氧化物存在,但有红色锈蚀产物.两根水冷壁管没有明显的变形、鼓包、涨粗、减薄等现象.将两根水冷壁管在横向裂纹处掰断,泄漏水冷壁管的断口宏观形貌如图２所示.可见裂纹断面已氧化锈蚀,裂纹贯穿钢管内外壁,在断面上呈扇形分布,裂纹的外壁长度大于内壁的,说明裂纹起源于钢管外壁,向内壁扩展.

将该水冷壁管酸洗后对其进行宏观检查,其表 面宏观形貌如图３所示.可见向火侧外壁存在大量 裂纹,裂纹方向与管子轴线垂直,呈密集平行分布状 态;背火侧外壁则无裂纹出现,但有氧化腐蚀后的凹 坑特征.

将该水冷壁管酸洗后对其进行宏观检查,其表=面宏观形貌如图３所示.可见向火侧外壁存在大量裂纹,裂纹方向与管子轴线垂直,呈密集平行分布状态;背火侧外壁则无裂纹出现,但有氧化腐蚀后的凹坑特征.

１．２ 化学成分分析

采用 OBLFQSN７５０直读光谱仪对该两根水冷壁管进行化学成分分析,结果见表１.由表１可知,两根水冷壁管的化学成分均符合 GB５３１０－２００８«高压锅炉用无缝钢管»对１５CrMoG钢的技术要求.

１．３ 力学性能测试

在两根水冷壁管的向火侧和背火侧分别取条状试样,采用 WDWＧ３００E 电子万能试验机进行室温拉伸试验,结果见表２.可见两根水冷壁管向火侧和背火侧的室温拉伸性能均符合 GB５３１０－２００８对１５CrMoG 钢的技术要求.

１．４ 金相检验

分别在水冷壁管的向火侧裂纹附近处、向火侧远离裂纹处和背火侧取金相试样,经磨制、抛光后采用硝酸酒精溶液进行侵蚀,然后采用ZeissAxiovert２００MAT 型金相显微镜进行金相检验,显微组织形貌如图４~６所示.可见水冷壁管向火侧裂纹附近处、向火侧远离裂纹处和背火侧的显微组织均为铁素体＋珠光体,珠光体组织无球化特征,说明无超温现象;晶粒度级别均为 ７ 级,满足 GB５３１０－２００８的要求.向火侧外壁存在大量的横向裂纹,裂纹形态为楔形,从外壁向内壁扩展,裂纹扩展呈穿晶特征,裂纹尖端圆钝未分叉,裂纹内部充满腐蚀产物;背火侧外壁未发现裂纹.

１．５ 扫描电镜分析

采用 Apollo３００型扫描电镜(SEM)对水冷壁管的断口形貌进行观察,如图７所示.断口上可见明显的贝纹线,呈现由外壁向内壁的疲劳扩展特征,断口上存在的黑褐色物质为高温氧化物,说明在裂纹扩展过程中伴随着高温氧化.采用 Quantax能谱仪(EDS)对 水 冷 壁 管 裂 纹内部物质进行能谱分析,分析位置及结果见图８.可见裂纹内腐蚀产物中氧、硫元素含量较高,说明管壁裂纹区 域 腐 蚀 严 重,其 中 硫 含 量 达 到 ７．５９％(质量分数),可知腐蚀产物主要是铁的氧化物、硫化物.

２ 分析与讨论

水冷壁管的化学成分、力学性能和显微组织均符合 GB５３１０－２００８的要求.向火侧和背火侧显微组织均为铁素体＋珠光体,并无珠光体球化现象,说明无超温现象.水冷壁管向火侧外壁存在大量平行的横向裂纹,多数裂纹形态为楔形,从外壁向内壁穿晶扩展,裂纹尖端圆钝未分叉,裂纹内部存在腐蚀产物;断口上可见明显的贝纹线,贝纹线的出现是疲劳扩展的重要特征及判断疲劳断裂的主要依据,说明裂纹性质属于疲劳裂纹[２];通过能谱分析证实,裂纹内部腐蚀产物主要是铁的氧化物和硫化物,其中硫含量达到７．５９％(质量分数),说明水冷壁管运行过程中存

在含硫的腐蚀气氛[３].水冷壁管横向裂纹密集,但未见管壁发生明显腐蚀减薄,说明腐蚀介质虽然存在,但受限于冷灰斗

区域的水冷壁管壁温水平较低,并未发生区域性的高温腐蚀,而是发生了以疲劳为主导、腐蚀起辅助和促进作用的腐蚀疲劳开裂,应力因素在裂纹形成中的作用要大于腐蚀因素.其腐蚀疲劳失效机理为:水冷壁管在高温运行过程中会在向火侧外壁形成连续的氧化膜,由于氧化膜与金属基体存在热膨胀系数和温度梯度差异,在起、停炉或者机组负荷变化时,氧化膜与金属基体会承受热疲劳应力,氧化膜的强度及塑性不及金属基体的,会在氧化膜上产生横向裂纹沟槽以释放应力,如图９

中I所示.在腐蚀气氛下,腐蚀介质会在裂纹沟槽处与金属基体局部接触并造成选择性腐蚀,如图９中II所示.由于裂纹沟槽处的应力集中,在热疲劳应力作用下裂纹会进一步扩展,在此过程中腐蚀与疲劳交互作用,大大加速了裂纹的扩展进程,造成裂纹贯穿内壁而导致泄漏[４Ｇ７],如图９中III所示

３ 结论及建议

在壁温波动导致的热疲劳应力和腐蚀气氛的共同作用下,锅炉水冷壁管向火侧管壁发生了腐蚀疲劳开裂,形成了密集分布的横向裂纹,最终导致水冷壁管泄漏.建议尽可能减少水冷壁管的壁温波动,控制水冷壁管表面腐蚀气氛;同时可考虑对横向裂纹产生区域的水冷壁管进行换管处理,对更换后的水冷壁管进行热喷涂或堆焊处理,以隔绝腐蚀介质.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2018年 > 7期 > pp.536）