摘 要:某鍋爐在運行期間發(fā)生水冷壁管泄漏事故,檢查發(fā)現數十根管材外壁存在橫向裂紋. 通過宏觀檢查、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗和掃描電鏡分析,對鍋爐水冷壁管橫向裂紋 的形成原因進行了分析.結果表明:在壁溫波動導致的熱疲勞應力和腐蝕氣氛的共同作用下,鍋爐 水冷壁管向火側管壁發(fā)生了腐蝕疲勞開裂,形成了密集的橫向裂紋,最終導致水冷壁管泄漏. 

關鍵詞:水冷壁管;橫向裂紋;熱疲勞應力;腐蝕氣氛;腐蝕疲勞 

中圖分類號:TG４０５ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５３６Ｇ０４

鍋爐水冷壁管的可靠性直接關系到電廠機組的 安全有效運行,因此對鍋爐水冷壁管的失效分析及 在此基礎上的預防和監(jiān)督措施就顯得尤為重要[１]. 某鍋爐在運行期間發(fā)生水冷壁管泄漏事故,停爐檢 查發(fā)現泄漏的水冷壁管位于冷灰斗區(qū)域,其向火側 外壁存在橫向裂紋,進一步檢查發(fā)現前后墻冷灰斗 區(qū)域的水冷壁管有數十根存在橫向裂紋.該鍋爐采 用垂直管圈的膜式水冷壁結構,存在橫向裂紋的水 冷壁管 為 內 螺 紋 管,材 料 為 １５CrMoG 鋼,規(guī) 格 為 ?３５mm×６．５ mm,截 止 泄 漏 機 組 累 計 運 行 了 約 ４０００h.為分析水冷壁管橫向裂紋的形成原因,筆 者對其進行了宏觀檢查、化學成分分析、力學性能測 試、金相檢驗和掃描電鏡分析,以避免類似事故重復 發(fā)生. 

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢查 

對兩根泄漏的水冷壁管進行宏觀檢查,泄漏水 冷壁管的宏觀形貌如圖１所示.可見兩根水冷壁管 向火側均有一條橫向裂紋位于焊縫附近,背火側則 未見裂紋;兩根水冷壁管的向火側表面覆蓋較厚的 灰分或氧化物,背火側表面則沒有灰分或氧化物存 在,但有紅色銹蝕產物.兩根水冷壁管沒有明顯的 變形、鼓包、漲粗、減薄等現象. 

將兩根水冷壁管在橫向裂紋處掰斷,泄漏水冷 壁管的斷口宏觀形貌如圖２所示.可見裂紋斷面已 氧化銹蝕,裂紋貫穿鋼管內外壁,在斷面上呈扇形分 布,裂紋的外壁長度大于內壁的,說明裂紋起源于鋼 管外壁,向內壁擴展. 將該水冷壁管酸洗后對其進行宏觀檢查,其表 面宏觀形貌如圖３所示.可見向火側外壁存在大量 裂紋,裂紋方向與管子軸線垂直,呈密集平行分布狀 態(tài);背火側外壁則無裂紋出現,但有氧化腐蝕后的凹 坑特征. 

１．２ 化學成分分析 

采用 OBLFQSN７５０直讀光譜儀對該兩根水冷 壁管進行化學成分分析,結果見表１.由表１可知,兩 根水冷壁管的化學成分均符合 GB５３１０－２００８«高壓 鍋爐用無縫鋼管»對１５CrMoG鋼的技術要求. 

１．３ 力學性能測試 

在兩根水冷壁管的向火側和背火側分別取條狀 試樣,采用 WDWＧ３００E 電子萬能試驗機進行室溫 拉伸試驗,結果見表２.可見兩根水冷壁管向火側 和背火側的室溫拉伸性能均符合 GB５３１０－２００８ 對１５CrMoG 鋼的技術要求. 

１．４ 金相檢驗 

分別在水冷壁管的向火側裂紋附近處、向火側 遠離裂紋處和背火側取金相試樣,經磨制、拋光后采 用硝酸酒精溶液進行侵蝕,然后采用ZeissAxiovert ２００MAT 型金相顯微鏡進行金相檢驗,顯微組織形 貌如圖４~６所示.可見水冷壁管向火側裂紋附近 處、向火側遠離裂紋處和背火側的顯微組織均為鐵 素體＋珠光體,珠光體組織無球化特征,說明無超溫 現象;晶粒度級別均為 ７ 級,滿足 GB５３１０－２００８ 的要求.向火側外壁存在大量的橫向裂紋,

１．５ 掃描電鏡分析 

采用 Apollo３００型掃描電鏡(SEM)對水冷壁 管的斷口形貌進行觀察,如圖７所示.斷口上可見 明顯的貝紋線,呈現由外壁向內壁的疲勞擴展特征, 斷口上存在的黑褐色物質為高溫氧化物,說明在裂 紋擴展過程中伴隨著高溫氧化. 

采用 Quantax能譜儀(EDS)對 水 冷 壁 管 裂 紋 內部物質進行能譜分析,分析位置及結果見圖８. 可見裂紋內腐蝕產物中氧、硫元素含量較高,說明 管壁裂紋區(qū) 域 腐 蝕 嚴 重,其 中 硫 含 量 達 到 ７．５９％ (質量分數),可知腐蝕產物主要是鐵的氧化物、硫 化物.

２ 分析與討論 

水冷壁管的化學成分、力學性能和顯微組織均 符合 GB５３１０－２００８的要求.向火側和背火側顯 微組織均為鐵素體＋珠光體,并無珠光體球化現象, 說明無超溫現象. 水冷壁管向火側外壁存在大量平行的橫向裂 紋,多數裂紋形態(tài)為楔形,從外壁向內壁穿晶擴展, 裂紋尖端圓鈍未分叉,裂紋內部存在腐蝕產物;斷口 上可見明顯的貝紋線,貝紋線的出現是疲勞擴展的 重要特征及判斷疲勞斷裂的主要依據,說明裂紋性 質屬于疲勞裂紋[２];通過能譜分析證實,裂紋內部腐 蝕產物主要是鐵的氧化物和硫化物,其中硫含量達 到７．５９％(質量分數),說明水冷壁管運行過程中存 在含硫的腐蝕氣氛[３]. 

水冷壁管橫向裂紋密集,但未見管壁發(fā)生明顯 腐蝕減薄,說明腐蝕介質雖然存在,但受限于冷灰斗 區(qū)域的水冷壁管壁溫水平較低,并未發(fā)生區(qū)域性的 高溫腐蝕,而是發(fā)生了以疲勞為主導、腐蝕起輔助和 促進作用的腐蝕疲勞開裂,應力因素

在裂紋形成中 的作用要大于腐蝕因素. 其腐蝕疲勞失效機理為:水冷壁管在高溫運行過 程中會在向火側外壁形成連續(xù)的氧化膜,由于氧化膜 與金屬基體存在熱膨脹系數和溫度梯度差異,在起、 停爐或者機組負荷變化時,氧化膜與金屬基體會承受 熱疲勞應力,氧化膜的強度及塑性不及金屬基體的, 會在氧化膜上產生橫向裂紋溝槽以釋放應力,如圖９ 中I所示.在腐蝕氣氛下,腐蝕介質會在裂紋溝槽處 與金屬基體局部接觸并造成選擇性腐蝕,如圖９中II 所示.由于裂紋溝槽處的應力集中,在熱疲勞應力作 用下裂紋會進一步擴展,在此過程中腐蝕與疲勞交互 作用,大大加速了裂紋的擴展進程,造成裂紋貫穿內 壁而導致泄漏[４Ｇ７],如圖９中III所示. 

３ 結論及建議 

在壁溫波動導致的熱疲勞應力和腐蝕氣氛的共 同作用下,鍋爐水冷壁管向火側管壁發(fā)生了腐蝕疲 勞開裂,形成了密集分布的橫向裂紋,最終導致水冷 壁管泄漏. 建議盡可能減少水冷壁管的壁溫波動,控制水 冷壁管表面腐蝕氣氛;同時可考慮對橫向裂紋產生 區(qū)域的水冷壁管進行換管處理,對更換后的水冷壁 管進行熱噴涂或堆焊處理,以隔絕腐蝕介質. 

參考文獻: 

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文章來源——材料與測試網