300MV循环流化床锅炉顶棚水冷壁管失效分析

段文龙

广东粤电云河发电有限公司

300MV循环流化床锅炉顶棚水冷壁管失效分析

段文龙

广东粤电云河发电有限公司

某电厂一台300MV的循环流化床锅炉顶棚水冷壁运行中发生失效，造成机组停机。经对失效管子外观、金相、断口扫面电镜等分析，得出结论，该管失效原因是管子内壁存在内疲劳裂纹，而热疲劳裂纹的产生是由于厂家设计结构缺陷所致。

流化床锅炉；热疲劳；失效；分析

概述

某电厂有一台300MV的单锅筒自然循环、亚临界中间再热循环流化床机组，锅炉型号为SG-1036/17.5-M4506。生产厂家为上海锅炉厂。该锅炉投产一年后，运行中发生顶棚水冷壁失效事件，造成机组停机。失效的顶棚水冷壁管材质为SA210-C,规格为Φ 60×7.5。失效位置为顶棚水冷壁管从A侧往B侧数第24根，并对旁边管子造成大面积吹损。本文从专业技术角度对失效管子进行分析后，找出管子失效的原因，提出了相关改进措施。

1 、外观形貌分析

失效管子的外观形貌见图一，从图中可以看出失效管子有明显的吹损减薄痕迹。经对失效管子破开后内表面的外面形貌见图二，从图中可以看出该管内表面有大量的横向裂纹。结合图一、图二分析爆口为周向开裂，裂口呈脆性厚唇式，剔除开裂后的吹损因素外，无塑性拉伸等减薄和变形。内外壁无氧化皮，无胀粗。管子内壁有大量周向裂纹，且裂纹呈龟裂状。裂纹延伸方向与管子主应力方向垂直。宏观形貌符合热疲劳裂纹的特征。从宏观形貌可以判定炉管的失效方式为热疲劳失效。

图一失效管子外观形貌图片

图二失效管子内表面外观形貌图

2 、金相组织分析

图三失效管子横截面金相

图四失效管子纵向金相

在第24根管子上分别取横向与纵向试样，进行微观组织观察。其组织图片见图三-图四所示，可以发现裂纹为穿晶断裂，附近无明显塑性变形，裂纹从管子内壁表面开始向内扩展，方向与表面垂直，裂纹尖端较为尖锐，其内部有灰色氧化物，符合热疲劳裂纹特征。管子金相组织正常。

3 、断口分析

通过扫描电镜对已经失效的锅炉顶棚处水冷壁管子的内壁横向裂纹进行分析，图片见图五、图六。图五中扇形区域为原始裂纹断面，显示脆性疲劳断裂特征，有多个裂纹源，断口表面有氧化层。

图六顶棚水冷壁开裂管子内表面裂纹形貌

4 、综合分析

根据上面的试验和分析结果，判断顶棚水冷壁管子开裂的裂纹为热疲劳裂纹。热疲劳裂纹产生有两个必要条件即机械束缚和温度变化。裂纹萌生于内壁，可以判定机械束缚和温度变化主要来自于内壁,由于目前只发现顶棚水冷壁炉右第24根内壁有大量周向裂纹，附近管子并未发现裂纹,可以排除区域性烟气侧热冲击，可以肯定热冲击来源于管内介质侧。

5 、顶棚水冷壁管的内表面产生热疲劳裂纹的原因

由于泄露管管段并没有出现胀粗、管壁壁厚明显减薄的现象，因此可以推断管子内壁并没有出现第一类或者第二类传热恶化。因为热疲劳细裂纹只产生在顶棚水冷壁的内壁，推断应该是顶棚水冷壁管的内壁有汽水分离界面产生。

锅炉个别管子内产生间断性的汽水分离界面很可能与结构设计有关，经查设计说明书，该锅炉的汽水循环系统包括锅筒、大直径下降管、水冷屏下降管、水冷壁、水冷屏和引出管。炉膛后墙水冷壁管排的结构如图七所示。

图七炉膛后墙水冷壁管排的结构图

图八后墙环形集箱管子局部流场示意图

图五顶棚水冷壁开裂管子裂纹断口形貌

根据顶棚水冷壁的分布结构，顶棚水冷壁管热疲劳裂纹的产生是在水冷壁后墙出口的集箱弯头第一个管接头处，此处出口为前墙水冷壁上部集箱引出管。下面我们再对位于后墙出口区域的炉顶水冷壁的降压差变化和流场分析，后墙环形集箱管子局部流场示意图见图八。从图中可以看出引入前墙水冷壁管出口集箱的位置正好是水冷壁引出管管座的角部，因此此处的工质流场受到“角部涡旋”的影响，而产生热疲劳裂纹的管子是靠近弯头处的第一根管子，是受到“弯头效应”影响的最大处，此种结构在静压差上容易产生压差的波动，从而造成产生热疲劳管的管内工质的流场和流量容易发生波动。另外，管内汽水混合物的含汽率随着流动方向逐渐变大，因此管子出口段受周期性流量及流场波动的影响更大，这是造成管子内壁间断性汽水分离后产生热疲劳裂纹的原因。

5 、结论

（1）失效管子从外观形貌、金相组织、扫描电镜图片可以判定，该管失效是热疲劳裂纹导致。

（2）热疲劳裂纹产生的原因是厂家设计结构缺陷造成。

（3）处理措施，对失效管子进行更换处理，并对该锅炉其它相同位置五条管子进行无损探伤检测。为消除泄漏管可能受到的“角部效应”影响，将锅炉顶棚水冷壁右侧数第24#号管及对称位置的其它五条管子改为不经过环行集箱，直接连通，在环形集箱的管子上下管接头封堵，由厂家出具具体实施方案。

[1]吴倩，曹振涛.锅炉受热面材质失效分析.轻工科技，2011（27）:45～45

[2]李卫东，李倩，赵向南，陈志刚.循环流化床锅炉高温受热面管失效研究现状.河南科技，2015（1）:71～73

[3]任瑞敏.300MW循环流化床锅炉受热面爆管的事故处理.山东工业技术，2015（18）:34～34

段文龙（1981-），男，汉族，广东云浮人，本科，热能动力工程师，主要从事电厂金属技术监督方面的工作，对电厂金属材料的检验和失效分析有丰富的现场经验。