某锅炉水冷壁管裂纹缺陷原因分析

王彩侠，杨 兰，陈 征，侯召堂

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

近些年来，我国新建并相继投运了大批量超（超超）临界机组，在机组设计、制造、安装、调试等方面采用了诸多的新技术、新材料、新工艺、新方法，取得了大量成功的实践经验。另一方面随着火电机组建设的快速发展，对工程建设周期和设备原材料供应周期提出了更高要求，在机组制造、安装等方面也暴露了一些技术和质量方面的问题，部分质量不符的原材料通过各种渠道流入到火电新建工程中，增加了火电机组安全运行的风险。本文就某电厂锅炉水冷壁管在安装过程中发现质量方面的问题[1]进行了分析，以便于大家借鉴。

1 概述

某电厂1 号机组锅炉在安装过程中，发现水冷壁管安装焊口X 射线检测底片上母材存在黑色斑块状缺陷，判定为钢管内壁表面沟槽，进一步检测发现一批水冷壁管内壁存在类似裂纹的缺陷，见图1。为了避免误判，对管子内部进行了清理，清理后再次进行X 射线检测发现缺陷依然存在。经查，该批水冷壁原材料钢管由大连某钢管有限公司制造，材料牌号为15CrMoG，规格为∅28.6×5.8mm。制造工艺为：管坯穿孔+预处理（酸洗+磷化）+冷拔+性能热处理，性能热处理为：950℃正火+700℃回火。复核产品质量证明书和锅炉厂入场检验报告未发现异常，所检项目均合格。

图1 水冷壁管样缺陷X 射线底片照片

为了确保工程设备的质量，保证发电机组的安全运行，我们对该批水冷壁管内壁缺陷形成原因进行了试验分析。

2 缺陷管样的特性分析

2.1 宏观特征

对该水冷壁管（带鳍片）割管取样进行剖管，发现管样内壁表面存在一层较薄的疏松状垢层，呈黄褐色（即铁锈红色），锈层下内壁表面呈现“龟裂”状，有类似龟裂的小裂纹，“人”字形状，呈45°角，见图2a。对内壁表面进行渗透检测，肉眼可见大量的宽度不同、深浅不一类似裂纹的缺陷显示，缺陷从内壁向外壁方向延伸，最大深度约为2mm，见图2b。

图2 水冷壁管样的内壁表面宏观形貌

2.2 材质状态检验

2.2.1 化学成分分析

对水冷壁管样取金属粉末进行化学成分分析，结果及GB/T 5310-2017[2]《高压锅炉用无缝钢管》对15CrMoG 钢的化学成分技术条件要求见表1。

从表1 可以看出：

表1 水冷壁管样的化学成分分析结果（%）

（1）管样中的Mo 元素低于GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》相关要求，但符合GB/T 222-2006[3]《钢的成品化学成分允许偏差》要求的下偏差范围。

（2）除Mo 元素之外的其它化学元素含量符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》相关要求。

2.2.2 力学性能

对水冷壁管取弧形拉伸试样，按照GB/T 228.1-2010[4]《金属材料 拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》进行室温拉伸性能试验；取V 形缺口冲击试样，按照GB/T 229-2007[5]《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行室温冲击试验。室温拉伸试验和冲击试验结果及GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》对15CrMoG 钢的力学性能技术条件要求见表2。

从表2 可以看出：

表2 15CrMoG 水冷壁管力学性能试验结果

（1）水冷壁管样的屈服强度和抗拉强度、冲击吸收能量符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》的相关要求。

（2）水冷壁管样的断后伸长率不满足GB/T 5310-2017 的相关要求，与内壁存在线性缺陷有关。

2.2.3 金相组织分析

对水冷壁管样切割成小块样，进行热镶嵌、磨制、抛光等制样工序，采用4%的硝酸酒精浸蚀，在研究级ZEISS 型金相显微镜下进行观察和分析，结果见图3。由图可知，管样金相组织为：铁素体+珠光体，晶粒度7～8 级，在内壁发现严重带状组织，呈起伏“波浪线”状，与内壁严重变形相关；内壁分布有数量较多且深浅不一类似裂纹缺陷，从内壁向外壁方向扩展，呈现穿晶、沿晶混合型特征，最大深度达1.6mm；缺陷尖端较钝，内有填充物，周围存在脱碳现象，裂纹周围晶粒发生长大。综上可知，内壁缺陷的性质为裂纹，裂纹在性能热处理前已形成。

图3 水冷壁管样的组织及内壁裂纹形貌

2.2.4 扫描电镜及能谱分析

对水冷壁管内壁表面及抛光态金相试样进行扫描电镜及X 射线能谱分析，内壁表面扫描电镜形貌照片见图4，X 射线能谱分析结果见表3。

图4 水冷壁管样内壁表面扫描电镜形貌

表3 水冷壁管的X 射线能谱分析结果（Wt%）

从扫描电镜及X 射线能谱分析结果可知：

（1）水冷壁管内壁表面粗糙呈“鱼鳞”状，裂纹为“人”字形状。

（2）水冷壁管样内壁表面含有较高的S、Al、Ca、Zn、Na，P 等元素，其中S 元素含量较高达19.51%。

（3）水冷壁管样抛光态试样裂纹内部具有较高S、Ca、Cu、Zn、Al，P 等元素，其中S 元素含量最高为1.97%。

（4）水冷壁管内壁表面及裂纹内部O 元素的含量均很高，特别是内壁表面高达40.65%，这说明内壁表面的物质是以氧化物为主。

3 缺陷原因分析

综合以上试验结果分析，该电厂1 号锅炉水冷壁管化学成分、抗拉强度、屈服强度和冲击性能满足相关标准要求，断后伸长率不满足标准要求，与内壁存在缺陷相关。内壁缺陷的性质为裂纹，裂纹最大深度达1.6mm，裂纹内有氧化物，周围存在脱碳现象，底部较钝，裂纹处基体组织为正常的铁素体+珠光体，呈带状分布，晶粒度7～8 级。显然，裂纹产生在钢管生产过程中。水冷壁管为冷拔钢管，生产工艺为管坯加热—穿孔—打头—酸洗—磷化—皂化—冷拔+热处理—检验。管坯穿孔后需经酸洗去除氧化皮。酸洗后，通过磷化处理[6]，使钢管的表面生成一层磷酸盐的黑膜。磷化处理中磷化液由硝酸、磷酸和氧化锌组成，在65～80℃之间与钢管内壁发生化学反应，见式（1）～（2）[7]，最终在内壁形成以Zn3（PO4）2为主的具有一定强度和良好吸附性的海绵状磷化膜。该海绵状磷化膜在皂化过程中可大量吸附皂化液（C17H35COONa）[8]，形成坚固耐磨的润滑层。润滑层隔开了钢管内表面与冷拔模具表面，并随着冷拔钢管延伸而延伸，使冷拔过程中摩擦系数稳定，保证冷拔钢管表面质量。

结合X 射线能谱分析结果可知，裂纹和内壁表面主要有S、Al、Ca、Zn、Na，P 等元素，S、Al、Ca 元素与内壁非金属夹杂物相关，Zn、Na，P 等元素与钢管制造工艺中磷化液和皂化液残留物相关，从而可判断裂纹形成在磷化工序之前。当管坯芯部存在较多非金属夹杂物时，在穿孔过程中随着管壁减薄，内壁将会集中较多的非金属夹杂物，其中Al、Ca 等夹杂物多为脆性夹杂物，不易塑性变形，与钢管基体为各项异性，且不兼容。这些夹杂物被轧碎后随着钢管拉拔[9]不断延伸在内壁萌生裂纹源。微裂纹在冷拔过程中进一步扩展形成裂纹，经性能热处理发生氧化和脱碳。

4 结论

水冷壁管内壁缺陷为裂纹，裂纹形成在钢管制造过程中。裂纹形成的主要原因为管坯内部存在脆性的非金属夹杂，在塑性变形过程中，发生碎化形成裂纹源，经冷拔进一步扩展形成裂纹。