660MW火电机组水冷壁出口集箱接管座开裂原因分析

陆晓华 李楠林 张宝柱 史志刚

摘 要：采用宏观形貌分析、力学性能分析、金相分析、微观形貌分析和成分分析对某660MW火电机组水冷壁出口集箱接管座开裂原因进行了分析。结果表明：水冷壁出口集箱接管座角焊缝开裂性质为疲劳开裂;引起管子发生疲劳开裂的主要原因为出口集箱与水冷壁间膨胀不协调在接管座角焊缝部位引起的结构疲劳应力所致，与材质无关。

关键词：水冷壁出口集箱;接管座角焊缝;疲劳应力

中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0164-02

0 引言

锅炉水冷壁管因其服役環境较为苛刻，在实际运行过程中经常产生因减薄、腐蚀、过热、疲劳等[1-2]导致的损伤甚至泄漏，并且往往损伤覆盖面积较广，易导致停炉停机等事故，因此明确失效原因并进行相应预防或整改对机组的安全性与经济性具有至关重要的作用[3]。近期，国投哈密电厂660MW火电机组#1机组在运行2.6万小时后，发现水冷壁左侧墙、右侧墙出口集箱接管座角焊缝总计开裂284根，其中左侧墙炉前侧管裂纹朝炉前，炉后侧管裂纹朝炉后，右侧墙炉前侧管裂纹朝炉前，炉后侧管裂纹朝炉前，水冷壁管及出口集箱材质均为15CrMo。本文通过对开裂管样（水冷壁左侧墙从炉后向炉前数第15根）的详细分析，明确其失效机理，并为避免同类事故的发生提出建议。

1 理化检验

1.1 宏观形貌分析

水冷壁管样的宏观形貌。样品裂纹位于紧邻角焊缝的管子炉后侧部位，呈环向开裂，裂纹从外壁沿母材径向已裂透至内壁，裂纹在外壁长约36mm，在内壁长约10mm，其他部位宏观均未见裂纹缺陷。

1.2 化学成分分析

对水冷壁管样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表可见：管样的化学成分符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》对15CrMoG的要求。

1.3 力学性能分析

在水冷壁管样上制取1对拉伸试样、1个硬度试样，室温下试样的拉伸试验和维氏硬度试验结果如表2所示。由表可见：样品室温下的规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》对15CrMoG新管的要求;样品的维氏硬度值符合15CrMoG新管的要求。

1.4 金相分析

样品内外壁及组织的金相形貌。样品从管子外壁角焊缝热影响区开裂，裂纹沿壁厚方向向管子内壁和环向扩展，样品断口呈穿晶型，主裂口附近存在二次裂纹;样品开裂部位对侧外壁存在小裂纹，最深约0.05mm;样品的焊缝、热影响区和母材组织为铁素体+珠光体，均未见异常。

1.5 微观形貌分析

水冷壁管样品断口表面的扫描电镜形貌断口表面覆盖有一层的氧化物，且有工质吹损痕迹，裂纹断口可见明显的疲劳弧线。

2 综合分析

由以上试验结果可知，管子的化学成分、硬度值、规定塑性延伸强度、抗拉强度和断后延伸率符合标准的要求，组织为铁素体加珠光体，组织状态正常。

水冷壁接管座开裂部位特征如下：裂纹位于紧邻角焊缝的管子炉后侧部位，呈环向开裂，从外壁沿母材径向向内壁扩展，且裂纹已裂透。裂纹断口覆盖着一层的氧化物，清洗后裂纹断口扩展区可见明显的疲劳弧线。根据以上开裂的基本特征，管子的开裂性质为疲劳开裂。

锅炉热态运行时，水冷壁出口集箱、水冷壁管和鳍片都在高温环境下受热膨胀，三者材质相同，但由于某些阻碍对单一或者其中两个部件形成约束，导致出口集箱和管子间膨胀不同步，从而在接管座角焊缝部位产生结构应力，在部件之间产生相对位移趋势，机组启停导致疲劳开裂。以左侧水冷壁出口集箱为例，集箱温度高于大包中鳍片温度，集箱向炉前后方向膨胀量大于鳍片管排膨胀量，造成集箱管座焊缝产生较大的弯曲应力，形成集箱炉前部角焊缝在炉前侧疲劳开裂、炉后部角焊缝在炉后侧疲劳开裂的基本规律。根据现场开裂情况，可以得出水冷壁管与出口集箱的相对位移趋势示意图（虚线表示位移趋势）。

结合现场情况，导致水冷壁管接管座角焊缝部位产生疲劳开裂的主要因素分为以下三点：（1）鳍片、水冷壁管与上集箱温差产生的结构应力。运行过程中，鳍片本身温度比水冷壁管和集箱稍低，相同材料在温度稍低时产生的膨胀量较小，因此运行时鳍片的膨胀量低于集箱的膨胀量，从而在水冷壁出口集箱角焊缝部位产生结构应力。如水冷壁左侧出口集箱接管座角焊缝开裂的分布;（2）水冷壁炉后延伸侧包墙管对水冷壁管的约束作用。左、右侧墙水冷壁管炉后侧均通过鳍片连接延伸侧包墙管，延伸侧包墙集箱与水冷壁出口集箱中存在一定间隙，因此集箱之间的膨胀量相互之间直接影响较小，而水冷壁管和延伸侧包墙管之间直接通过鳍片相连，对水冷壁管结构应力产生影响，如水冷壁右侧出口集箱接管座角焊缝开裂的分布;（3）其他可能约束：水冷壁管穿顶棚处的约束等。另外，接管座角焊缝部位属于薄弱区域，且接管座角焊缝与母材相连外壁处存在变截面，容易产生应力集中现象，因此疲劳开裂发生在接管座角焊缝部位。

3 结论与建议

水冷壁出口集箱接管座角焊缝开裂性质为疲劳开裂;引起管子发生疲劳开裂的主要原因为出口集箱与水冷壁间膨胀不协调在接管座角焊缝部位引起的结构疲劳应力所致。

后续建议从以下两方面进行预防和控制：（1）适当切开水冷壁与炉后延伸侧包墙之间的鳍片，适当向下切开大包内管子间的鳍片降低水冷壁管的结构应力;（2）必要时可将水冷壁出口集箱从中部分为两段，降低集箱向两侧的膨胀量，从而减小与水冷壁管间的膨胀不协调程度。

参考文献

[1] S.W. Liu，W.Z. Wang，C.J. Liu. Failure analysis of the boiler water-wall tube [J]. Case Studies in Engineering Failure Analysis.2017（9）：35-39.

[2] 李广伟，孙俊威，黄启龙.600MW对冲燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及对策[J].华电技术，2016，38（6）：43-46.

[3] 范志东，马翼超，张志博，马剑民.超（超）临界锅炉水冷壁管泄漏失效分析[J].热加工工艺，2017，46（23）：254-258.