660MW中日合造超临界电站锅炉水冷壁管泄漏原因分析

中国特种设备检测研究院锅炉事业部 赵加星 刘杰 刘涛 车畅

0 前言

据国内相关统计，炉内四小管（过热器管、再热器管、水冷壁管、省煤器管）的失效事故占锅炉事故的2/3左右，其中水冷壁泄漏引发的事故占据较大比例。[1-4]

水冷壁的作用是将炉膛火焰的热量传递给水冷壁管内流动的水或蒸汽，使水变成水蒸气并使水蒸气的参数进一步提高，以达到所需要的介质状态。水冷壁管失效事故的发生不仅使设备检修工作量和检修费用大大增加，而且严重影响了锅炉机组的长期安全稳定运行，甚至使设备严重损坏并造成人员伤亡事故。[5,6]

基于此，本文针对某电厂660MW中日合造超临界电站锅炉泄漏的水冷壁管并从宏观检查、金相组织、裂纹断面形貌、裂纹形成原因等方面对泄漏原因进行分析。

1 事故简述

某电厂1号超临界锅炉，型号DG2100/25.4-Ⅱ1，是由东方锅炉（集团）股份有限公司与东方-日立锅炉有限公司合作设计、联合制造的660MW超临界本生直流锅炉，Π型，锅炉参数：设计出口压力25.4MPa，设计出口温度571℃，最大连续蒸发量2101.78t/h，再热蒸汽流量1760.85t/h。该锅炉发生水冷壁管泄漏，泄漏位置为炉墙标高44米、B5吹灰器附近的螺旋水冷壁管。泄漏的水冷壁管材质为T2，规格为：Φ38.1×7.5mm；鳍片材质为15CrMo。

2 结果分析

2.1 宏观检查

图1所示为水冷壁泄漏位置。经宏观检查发现，图1中所示的B5吹灰器下方上数第2根（弯管）、第4根管子（直管）发生相互吹损泄漏，第3根管子局部吹损减薄。

图1 水冷壁泄漏位置

经割管检查发现，图1中所示的第4根管子上存在2条相距130mm且长约45mm的横向贯穿裂纹，裂纹处均有明显的泄漏吹损痕迹，如图2a所示。

仔细观察图2a，裂纹1位于管子向火面，其附近存在许多横向表面裂纹。裂纹2于向火面的裂纹张口较之背火面的大，且存在两条扩展裂纹，如图2b和图2c所示。图2所示为裂纹1和裂纹2的位置及形貌。同时经测量发现，泄漏管及其附近管子没有胀粗现象。

图2 裂纹1和裂纹2的位置及形貌

2.2 金相组织

图3和图4所示分别为试样取样位置和裂纹形貌及其附近金相组织。分析图4并结合材质可以确定，水冷壁管子基体的金相组织为：铁素体+珠光体。仔细观察图4，还可以发现，裂纹由管外表面向内并主要以穿晶的方式扩展延伸。

图3 裂纹1附近取样示意图

图4 裂纹形貌及其附近金相组织200×

图5所示为水冷壁管子与其鳍片之间焊缝的金相组织。从图5中可以看出，焊缝和热影响区的金相组织为粒状贝氏体。同时热影响区的组织比焊缝中的细小。另外对管子（T2）和鳍片的化学成分进行了分析，结果符合设计材质要求。

图5 水冷壁管子与其鳍片之间焊缝的金相组织50×

2.3 裂纹断面形貌

沿管子纵向将裂纹1断面剖开，经清洗后观察断面，如图6所示。结合图4，从图6中的断面色泽和断裂纹路可判定，裂纹首先起源于向火侧管子外表面，并逐步向内发展，直至贯穿，造成泄漏。图6所示为裂纹1的断面形貌。

图6 裂纹1断面形貌

在图3所示裂纹1附近的横向裂纹区域（向火侧）取样，并对横向裂纹的横断面进行制样。图7为横向裂纹的横断面形貌，可以看出管子向火侧外表面横向裂纹较多、深浅不一，但大多在2mm以内。裂纹表面开口较大，向管子内延伸成倒三角形形态。裂纹内部充满着氧化腐蚀产物。管子外表面由于焊接有鳍片，凹凸不平，但所有裂纹均垂直于表面向管子基体内部延伸。裂纹与鳍片焊缝之间的相互位置没有对应关系。

图7 横向裂纹的横断面形貌

2.4 裂纹形成原因

通过对以上裂纹形态特征的分析可知，向火侧外表面横向裂纹的形成与鳍片焊接没有直接对应关系，裂纹是在机组投运以后产生的。横向裂纹的形成与向火侧管子表面曾经受过或大或小的表面张应力有关。

裂纹管子邻近的B5吹灰器，应该为剧烈的温度变化引起的表面应力提供了助力，而与受热面局部的结构应力没有直接关系。该机组运行期间，B5吹灰器曾经存在故障，可能将湿冷蒸汽吹向邻近管子向火侧，使管子表面产生剧烈的温度变化，进而形成表面横向裂纹。尽管炉膛内烟温很高，使得管子表面应力亦很高，但向管子金属基体内部应力梯度较大，应力急剧降低，所以裂纹相对较浅。

由于管子表面没有发现明显的吹灰器吹损痕迹，所以，B5吹灰器泄漏出来的湿冷蒸汽并不具备很高的压力，可能是非吹灰工作状态下湿冷蒸汽泄漏造成的。

2.5 水冷壁管泄漏原因

图8所示为鳍片沟槽与裂纹的位置图。裂纹1位置炉外部分，其鳍片上间隔开有横向沟槽，沟槽深度约为鳍片宽度的2/3。贯穿裂纹邻近的鳍片沟槽开的较深，或处于断开状态。

由图2a可见，裂纹2附近管子间距离较近，其下方还有第3根管子，管子间只有很窄的鳍片，由于相互吹损严重，已经观察不到鳍片，也可能裂纹2处于鳍片断开处。

因B5吹灰器周围相邻的3根管子都存在弯曲管段，第4根开始为直管段，故运行期间B5吹灰器邻近的弯管形成的结构应力，将会集中于第4根直管段的相邻部分。而鳍片上开槽或断开区域使得应力会集中于管子外表面处，进而促使管子外表面横向裂纹进一步向内表面发展，最终导致贯穿泄漏。

图8 鳍片沟槽与裂纹的位置图

3 结论

该中日合造超临界电站锅炉的吹灰器存在故障，将湿冷蒸汽吹向邻近的水冷壁管，使水冷壁管表面温度出现剧烈变化，进而形成表面横向裂纹。同时吹灰器附近的水冷壁管子的结构差异形成的应力使得裂纹进一步发展，最终导致水冷壁管泄漏。基于此，建议对吹灰器及其周围管子进行全面检查，消除吹灰器故障，并对受损管段进行更换处理。