某电厂水冷壁管泄漏原因分析

王建国, 王智春, 韩哲文, 杨鑫莹, 宋子博

(华北电力科学研究院有限责任公司, 北京 100045)

某电厂超临界机组投入运行仅1个月，其锅炉后墙螺旋水冷壁管即发生泄漏。泄漏水冷壁管材料为15CrMoG钢，规格为φ32 mm×6 mm。锅炉运行记录显示，水冷壁管泄漏失效前锅炉运行正常。本次因水冷壁管发生泄漏失效导致机组停机，为找出泄漏原因，笔者对水冷壁管进行了检验和分析，以期此类事故不再发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对泄漏的水冷壁管进行宏观观察，如图1 所示，可见泄漏发生在管子对接焊缝处。水冷壁管向火侧及背火侧对接焊缝处均发现横向裂纹，呈近似直线状。裂纹已贯穿整个壁厚，由焊缝中部向两侧热影响区扩展。向火侧横向裂纹在外壁侧长约14 mm，在内壁侧长约12 mm ，如图1 b) 所示，两处裂纹附近无明显塑性变形。

1.2 化学成分分析

在泄漏水冷壁管及其焊缝上取样，对其进行化学成分分析，结果见表1。可见该水冷壁管的化学成分符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对15CrMoG钢的成分要求。焊缝金属中化学元素含量满足DL/T 869—2012《火力发电厂焊接技术规程》中的技术要求，但磷、硫元素含量比水冷壁管的母材高。

1.3 金相检验

在泄漏水冷壁管母材及焊缝处取样，对其进行金相检验，如图2所示。泄漏管段母材显微组织为铁素体+珠光体，球化级别为1级，表明管子未长期超温运行。对其进行非金属夹杂物含量评定，结果为：硫化物夹杂A类0.5级，球状氧化物夹杂D类0.5级。焊缝显微组织为贝氏体，组织正常。

表1 泄漏水冷壁管的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the leakage water wall tube (mass fraction) %

图1 泄漏水冷壁管宏观形貌Fig.1 Marco morphology of the leakage water wall tube: a) outer wall at the side facing fire; b) inner wall at the side facing fire

图2 泄漏水冷壁管显微组织形貌Fig. 2 Micro structure morphology of theleakage water wall tube: a) base metal; b) weld metal

焊缝中存在一处长约4 mm的裂纹，两端未扩展至管子内外壁表面。在水冷壁管向火侧泄漏处取样，对其进行金相检验，如图3所示。 可见裂纹周围分布着多条细小的微裂纹，所有裂纹均沿晶分布，尖端圆钝，且内部充满灰色物质。

图3 泄漏水冷壁管焊缝微裂纹处显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of microcracks in weld seam of the leakage water wall tube: a) low magnification; b) high magnification

1.4 力学性能试验

在水冷壁管泄漏位置附近的母材上取样，对其进行拉伸试验，结果见表2。可见水冷壁管的力学性能符合GB/T 5310—2017的技术要求。

表2 泄漏水冷壁管的拉伸试验结果Tab.2 Tensile test results of the leakage water wall tube

对泄漏水冷壁管的母材及焊缝进行显微硬度测试，结果见表3。可见水冷壁管的母材硬度符合GB/T 5310—2017的技术要求，焊缝硬度满足DL/T 869—2012的技术要求。

表3 泄漏水冷壁管的显微硬度测试结果Tab.3 Microhardness test results of the leakage water wall tube HV1

1.5 扫描电镜及能谱分析

对向火侧焊缝中存在的微裂纹进行扫描电镜(SEM)分析，如图4所示，能谱(EDS)分析结果见表4。可见焊缝中的微裂纹沿晶分布，裂纹中充满灰色物质。EDS结果表明该灰色物质中含有较高的硫元素。

图4 微裂纹的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of microcracks

表4 EDS分析结果(质量分数)Tab.4 EDS analysis results (mass fraction) %

2 分析与讨论

泄漏水冷壁管母材的化学成分、室温拉伸性能、硬度、非金属夹杂均满足相关标准要求，泄漏水冷壁管母材的显微组织为铁素体+珠光体，球化级别为1级。表明泄漏水冷壁管的材料正常，硬度及显微组织正常。

宏观观察发现泄漏点位于水冷壁管的环焊缝上，其上有一条近似直线的裂纹，与焊缝垂直，为横向裂纹。该裂纹已贯穿整个壁厚，由焊缝中部向两侧热影响区扩展，裂纹附近无明显的塑性变形痕迹。微观分析发现，焊缝中主裂纹附近存在一条长约4 mm的裂纹，该裂纹中附着大量灰色物质，且周围存在许多微小的沿晶裂纹。SEM及EDS分析表明裂纹中的灰色物质硫元素含量较高。该裂纹应为焊缝结晶裂纹，这是焊缝金属在凝固时，其中的硫、磷、硅等形成的低熔点共晶物在晶界聚集，从而在晶界处形成结晶微裂纹。高温运行后，管子在环向上承受的应力最大。在内压应力及焊接残余应力的作用下，先在结晶微裂纹处开裂，并与其他微裂纹连接扩展，最终导致焊缝位置开裂泄漏。

低合金钢焊缝中产生结晶裂纹的原因主要有两个：一是焊材中硫、磷含量较高，焊缝金属凝固时容易形成低熔点共晶合金，在晶界聚集形成结晶裂纹；二是焊接时工艺参数不当，熔深比过大也会造成结晶裂纹[1-7]。

3 结论及建议

水冷壁管对接焊缝中存在结晶裂纹，该结晶裂纹在管子内压应力和焊接残余应力的作用下不断扩展，形成穿透管壁的横向裂纹，最终导致水冷壁管泄漏。

建议加强水冷壁管焊接质量的控制，制定合适的焊接工艺，防止焊缝中结晶裂纹的产生；同时加强监督检验，及时发现存在缺陷的焊接接头，并予以处理。