电站锅炉水冷壁管失效分析研究★

高昌平，张启礼

（广东省特种设备检测研究院,广东 广州 510655）

某企业#5电站锅炉折焰角水冷壁管子在使用过程中发生了爆裂，现对断裂部位进行力学性能、材质成分分析，腐蚀物和管内垢样成分检测分析，以及管子劣化现象金相和硬度分析。折焰角水冷壁管子如图1，管子材质及规格如表1。

图1 管子的宏观照片

表1 管子的规格及材质

1 管子宏观观察

水冷壁管子经目视观察，发现管子向火面有一条断续的贯穿裂纹，同时裂纹周边的外表面也有许多微裂纹，见图2。管子的向火面内表面也有许多微裂纹，见图3。从图中可以看出，管子的向火面和背火面壁厚不同，向火面管子壁厚仅有3 mm，背火面管子壁厚为5 mm，可见管子向火面减薄严重。

图2 管子贯穿裂纹

图3 管子向火面内壁裂纹及减薄

2 室温拉伸性能

根据国标GB 6397—86《金属拉伸试验试样》，对于管材水冷壁管，加工成弧形拉伸试样。向火面和背火面各取一个拉伸试样。向火面的拉伸试样取样，避开贯穿性裂纹的部分。向火面试样标记为1号，背火面试样标记为2号。

拉伸试验是在DNS-100电子万能拉伸试验机上进行，实验结果综合如表2所示[1]，表中列出了《高压锅炉用无缝钢管》GB 5310—2008对应的力学性能标准[2]。

表2 室温拉伸性能结果

从表2拉伸试验结果可以看出：

1）1号向火面样品，抗拉强度和延伸率均低于标准值，屈服强度合格；

2）2号背火面样品，强度和伸长率均符合标准要求。

观察拉伸后的试样，发现1号向火面拉伸试样内壁有很多裂纹，推测分析可能原先有很多微裂纹，经拉伸后长大了，见下页图4。

图4 向火面拉伸试样内壁裂纹

3 内壁腐蚀物能谱分析（EDS）

为了分析水冷壁管腐蚀产物的成分，在向火面裂纹处切取一段试样，用蔡司EVO 18扫描电镜观察样品显微形貌，用牛津能谱仪51-XMX1003对样品表面进行元素分析。分析试样如图5所示，裂纹处的扫描电镜显微形貌如图6，能谱分析结果见表3。

图5 外表面的宏观形貌图

图6 裂纹处微观形貌和能谱分析

从表3中的能谱成分分析结果来看，腐蚀产物主要是铁的氧化物，还有部分其他合金元素的氧化物，且含有一定量的硫化物和少量氯化物，说明水冷壁管表面除氧化腐蚀外还存在硫腐蚀和少量氯腐蚀。

表3 贯穿裂纹处的能谱分析结果%

在管壁内侧有裂纹的部位，取一小段进行微观形貌和能谱分析，试样见图7，内壁微观形貌见图8，能谱元素分析结果见表4。同时在图7取样部位切取一段做外壁微观形貌和能谱分析，外壁微观形貌见图9，能谱分析见表5。

图7 内壁有裂纹处取样

图8 有裂纹的内壁形貌

图9 水冷壁外壁形貌

表4 内壁裂纹处的能谱分析结果%

表5 水冷壁外壁能谱分析结果%

从表4和表5中的能谱成分分析结果来看，腐蚀产物主要是铁的氧化物，还有部分其它合金元素的氧化物，内壁腐蚀物含有少量的硫化物，外壁腐蚀物除含有硫化物外，还含有少量氯化物。说明水冷壁管内壁有硫腐蚀，外壁有硫腐蚀和氯腐蚀。

4 荧光光谱分析（XRF）

对管子外表面粘附的粉末进行收集，然后使用QUANTX X射线荧光能谱仪进行荧光光谱分析，分析结果见表6。

表6 外壁粉末分析结果%

从上表中可以看出，粉末中硫的含量较高，这和能谱分析结果相一致。

5 材质成分分析

在水冷壁管子上任取一段25 mm×50 mm试样，经打磨后在型号为PMI MASTER Smart全定量光谱仪上进行分析，分析三次，取平均值。分析结果见表7。

表7 水冷壁管子成分表%

根据《高压锅炉用无缝钢管》GB/T 5310—2008，20 g钢含碳量w（C），从表7中可以看出，C含量稍稍偏高[2]。

6 金相组织分析

在水冷壁管向火面和背火面各取一段试样，分别沿纵向和横向各取一个金相试样，共四个金相试样。试样经过机械研磨、抛光后，用4%硝酸酒精浸蚀，将制备好的金相试样于Axio Scope 5蔡司金相显微镜下进行组织观察与评定[3]。

从图10、图11可以看出，该管子组织已经完全球化，且截面上出现了很多横向和纵向裂纹，晶界也出现了裂纹。

图10 横断面上微裂纹（200×）

图11 横断面上晶界裂纹（500×）

从图12可以看出，水冷壁边缘带状纵严重，且碳化物全部聚集于晶界，为裂纹的形成提供了条件。而背火面截面的金相组织正常，球化也不严重[4]，见图13。

图12 水冷壁纵向组织（100×）

图13 背火面横截面金相组织（500×）

7 结果分析

通过对送检的折焰角水冷壁管的力学性能、腐蚀产物的能谱分析、垢样和粉末分析以及金相组织分析可以得出以下结论：

1）向火面力学性能已经低于标准最小值，且伸长率也低于标准最小值。

2）通过能谱分析及垢样和粉末分析，可以看出管子的腐蚀除了氧腐蚀外，还有硫腐蚀以及少量氯腐蚀。

3）管子成分分析发现所含碳元素含量超过标准规定最大值。

4）向火面管子的金相组织已经完全球化，管子中有微裂纹和晶界裂纹的出现，背火面金相组织正常，也没有观察到微裂纹的产生。

造成管子出现贯穿裂纹的主要原因是管子材质劣化及氧化腐蚀减薄，管子在腐蚀初期会出现极小的凹坑，这些凹坑聚集的腐蚀液浓度较高，加速了该处的腐蚀。同时由于管子长期在高温下运行，珠光体中的碳化物逐渐向晶界迁移[4]，降低了材料的强度，造成了晶界脆性的增加，在外力的作用下，晶界出现裂纹，慢慢扩展成为微裂纹，最后长成大的裂纹。裂纹逐步扩展，最后形成贯穿性的裂纹。