分享：水冷壁管接头开裂原因

锅炉的安全及稳定运行是保障电力供给的关键因素[1]。锅炉问题造成的事故发生率占整个火电机组事故发生率的40%以上[2],其中,由锅炉中水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管等失效造成的突发事故占锅炉事故的70%以上[3],水冷壁管泄漏是造成电厂锅炉泄漏的原因之一[4]。因此,研究锅炉水冷壁管开裂原因具有重要的指导意义。 

马晓艺等[5]采用一系列理化检验方法对某火电厂锅炉水冷壁管爆管原因进行分析,发现水冷壁管向火侧内壁的严重氧化和高温氢腐蚀导致其爆管。刘帅等[6]模拟了水冷壁管的焊接过程,获得了焊接残余应力分布场,研究了强制对口产生的装配应力对水冷壁管焊接接头应力场的影响,发现热疲劳是导致环向裂纹扩展的关键因素。高超等[7]采用一系列理化检验方法对核电厂高压加热器系统疏水器在服役过程中发生局部减薄的原因进行了分析,并对疏水器流道的流态进行了模拟计算,发现高流速介质的冲刷减薄及流体加速腐蚀减薄是造成疏水器减薄穿孔的直接原因。曹慧泉等[8]采用一系列理化检验方法对某锅炉旋风分离器水冷壁过热管发生多起开裂事故的原因进行分析,发现过热管长期处于450 ℃以上的高温状态,珠光体球化明显,显微组织的劣化导致过热管的强度和硬度下降,被氧化腐蚀减薄的过热管在蒸汽压力的作用下胀粗变形,最终导致过热管开裂。 

某电厂检查发现炉本体6楼至7楼之间有异常声音,后经现场确认水冷壁管发生泄漏现象。锅炉标高39 m折焰角处,从锅炉A侧往B侧数第18,19根,折焰角下方约2 m处水冷壁管开裂。水冷壁管材料为210C钢,尺寸为63.5 mm×8 mm（外径×壁厚）。笔者采用一系列理化检验方法对该电厂锅炉水冷壁管接头开裂的原因进行分析,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

开裂水冷壁管的宏观形貌如图1所示。由图1可知：第18,19根水冷壁管之间有鳞片焊接相连,表面存在一定程度的氧化现象,开裂位置为管道向火面,鳍片及其两侧管外表面有明显冲蚀痕迹,鳍片及其焊缝上分布有数条长短不一的纵向和横向沟槽；A区可见3处密集孔洞,孔洞四周分布有放射性沟槽,且孔洞周围管壁仍保留一定的厚度；B区有3处较分散孔洞,孔洞周围管壁明显减薄变形。根据孔洞分布情况及管壁状态可以推断,B区孔洞为A区破口后管壁外表面经高压水柱冲蚀减薄所致。管壁除冲蚀区域之外厚度较均匀,未见明显蠕胀变形或减薄缺陷。 

图  1  开裂水冷壁管的宏观形貌

对A区内表面进行宏观观察,结果如图2所示。由图2可知：A区内表面可见3处密集孔洞,孔洞分布于水冷壁管对接环焊缝一侧熔合线附近,内表面氧化较均匀,未见明显局部腐蚀痕迹,无异常减薄。 

图  2  A区内表面宏观形貌

1.2   化学成分分析

依据ASME SA-210 Specification for Seamless Medium-Carbon Steel Boiler and Superheater Tubes,利用手持式合金成分分析仪对开裂水冷壁管试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：开裂水冷壁管试样的化学成分基本符合ASME SA-210的要求。 

1.3   金相检验

在A区孔洞附近垂直于壁厚方向截取试样,将试样置于光学显微镜下观察,试样的抛光态微观形貌如图3所示,可见裂纹走势较直且无分叉,裂纹起始端位于管壁内表面,裂纹几乎贯穿截面厚度。A区孔洞附近的显微组织形貌如图4所示。由图4可知：裂纹起始端两侧组织差异明显,裂纹位于焊缝与母材的熔合线部位,裂纹开口较宽,中间有氧化物填充；裂纹末端粗大,中间有氧化物,裂纹左侧为水冷壁管母材,组织为铁素体+珠光体,裂纹右侧为焊缝,组织为铁素体+贝氏体+少量珠光体,呈枝晶状分布。 

图  3  A区孔洞附近的抛光态微观形貌

图  4  A区孔洞附近的显微组织形貌

在水冷壁管远离焊缝处母材上取样,将试样置于光学显微镜下观察,结果如图5所示。由图5可知：试样的组织为铁素体+珠光体,未见明显老化现象。 

图  5  远离焊缝处母材显微组织形貌

1.4   硬度测试

在水冷壁管开裂处横截面上取样,对试样进行显微维氏硬度测试,结果如表2所示。根据ASME SA-210的要求,母材硬度为143~179 HB,根据GB/T 33362—2016 《金属材料 硬度值的换算》,将维氏硬度换算成布氏硬度,可知试样的硬度满足标准要求,且焊缝及热影响区硬度高于母材。 

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：开裂水冷壁管母材的化学成分、显微组织及硬度均满足标准要求,因此可以排除长时和短时超温导致管子开裂的可能。水冷壁管A区孔洞密集且带有较深沟槽,B区孔洞分散且出现在管壁最薄处,可推断A区孔洞先出现,B区孔洞为管壁受冲蚀减薄所致。管壁未见明显蠕胀变形或减薄缺陷,故排除长时和短时过热导致管子开裂的可能。水冷壁管内表面氧化较均匀,未见明显局部腐蚀痕迹,故排除内壁酸碱腐蚀导致管子开裂的可能。A区裂纹分布于水冷壁管对接环焊缝一侧熔合线附近,说明焊接使管子发生早期开裂现象。 

A区孔洞附近裂纹起始于水冷壁管内表面焊缝与母材的熔合线部位,该处为焊缝的薄弱环节,组织中晶粒较粗,导致材料的脆性变大,在焊接引起的残余应力、焊接缺陷,焊接结构造成应力集中等因素的影响下,水冷壁管发生开裂现象。 

3.   结论与建议

水冷壁管开裂的主要原因为：水冷壁管对接环焊缝产生了残余应力,材料中存在焊接缺陷,在高温高压环境下,缺陷逐渐扩展为孔洞,并对其他管壁造成冲蚀破坏,最终导致水冷壁管开裂。 

建议改善焊接的相关工艺,避免结构约束产生异常残余应力。焊接完成后尽可能去除焊缝余高,避免焊缝区域产生应力集中。进行焊后热处理,松弛焊接残余应力,细化组织晶粒,防止产生延迟裂纹,注意预热和加热的速率,避免产生再热裂纹。定期检查水冷壁管,以便及时发现和解决潜在问题。 

文章来源——材料与测试网