流化床锅炉水冷壁20?G钢管泄漏的原因分析

南开岭 包士梅

[摘    要]某流化床锅炉水冷壁在水压加壓过程中，发生钢管泄漏破裂，材料为20 G。文章对钢管进行了化学成分分析和金相组织检验，确定了钢管泄漏的原因。由于20 G钢管表面存在纵向裂纹源，位于缩口时的缩径处，而二次缩口时未进行消应力热处理，造成应力集中，与扁钢焊接时的焊接应力共同导致裂纹扩展，产生穿透性裂纹。此外，20 G钢管的外表面存在微裂纹，并且在裂纹附近有夹杂物存在，这也为裂纹扩展提供了条件。

[关键词]20 G钢管;水冷壁;泄漏;裂纹

[中图分类号]TM621.2;TG115 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）04–00–03

Cause Analysis of Leakage of 20 G Steel Pipe in Water Wall of Fluidized Bed Boiler

Nan kai-ling，Bao Shi-mei

[Abstract]During the process of hydraulic pressurization， the water wall of a fluidized bed boiler leaked and ruptured the steel pipe， and the material was 20 G. In this paper， the chemical composition analysis and metallographic structure inspection of the steel pipe are carried out， and the reason for the leakage of the steel pipe is determined. Since there is a longitudinal crack source on the surface of the 20 G steel pipe， it is located at the reduced diameter during the necking， and the stress relief heat treatment is not performed during the secondary necking， resulting in stress concentration， which together with the welding stress during flat steel welding leads to crack expansion and penetration. Sexual cracks. In addition， there are microcracks on the outer surface of the 20 G steel pipe， and there are inclusions near the cracks， which also provide conditions for crack propagation.

[Keywords]20 G steel pipe; water wall; leakage; crack

水冷壁管是热电厂锅炉实现热量传递与交换的核心部件，由于锅炉运行工况的复杂性，水冷壁管失效的情况较为常见。水冷壁管一旦失效不仅会造成很大的经济损失，还会引发严重的安全事故[1]。水冷壁制造完成后会在制造厂进行水压试验，在电厂现场安装后系统运行前也会再次进行水压试验，因此分析水冷壁管的失效原因并提出有效的预防措施，对保证热电厂锅炉的安全运行具有非常重要的意义[2-3]。

某流化床锅炉中的水冷壁共有14屏，在水压加压过程中，后水冷壁中部组件的管屏发生泄漏，材料为20 G钢管[4]。泄漏位置位于左数第42根的背火面，破裂的20 G钢管供货规格为，60 mm×8 mm，交货状态为正火态，正火温度为900～930 ℃。在水冷壁制造过程中，第一次缩口后进行了消应力热处理，保温温度为620±10 ℃，保温15 min后空冷，然后再进行第二次缩口，二次缩口后管径为，51 mm×8.8 mm，未进行消应力热处理。缩口完成后，将管口处加工至，51 mm×5 mm，并与过渡管进行对接焊，裂纹一端距此环缝约15 mm左右。

水冷壁管泄漏产生的穿透性纵向裂纹长度约为30 cm，距6 mm厚的15 CrMo扁钢纵缝约0～5 mm，如图1所示。在破裂的断口处，可明显观察到钢管表面存在一处平行于轴向的纵向裂纹源，位于缩口时的缩颈处，长度约为10 mm，深度约为1.5 mm。靠近焊缝侧裂纹源处的断口颜色发蓝，另一侧颜色正常。

1 试验内容

此次发生泄漏的管屏采用的是定尺长度为8 m、炉批号为M-16-AA199的20 G钢管制造，钢管供方按GB/T 5310的规定进行了水压试验。泄漏发生后，除了核查质量证明书中的化学成分、力学性能、工艺性能和金相检验等结果外，还对发生泄漏的20 G钢管进行了化学成分进行了复验，并进行了金相检验。

1.1 化学成分

经核查钢管质量证明书中的化学成分数据，并对发生泄漏的钢管进行化学成分分析，各元素含量均满足采购技术条件的要求，见表1。

1.2 力学性能和工艺性能

经核查钢管质量证明书中的力学性能和工艺性能试验数据，并随机抽取与泄漏钢管同炉批号的一根钢管进行力学性能和工艺性能复验，结果均满足采购技术条件的要求，见表2。

1.3 金相检验

钢管质量证明书结果显示，发生泄漏的钢管金相组织是铁素体+珠光体（F+P），内外表面脱碳层不明显，晶粒度为7.0级，满足采购技术条件的要求。1A668EB1-A3B5-4549-B4B8-2FBAEDD7664A

对发生泄漏的20 G钢管母材进行金相组织檢验，显示为铁素体+珠光体（F+P）[5]，同时发现管子外表面存在向内表面延伸的微裂纹，如图2所示。管壁内外表面脱碳层不明显，晶粒度为6.0～7.0级，同时存在少量夹杂物，其中硫化物为2.0级，点状氧化物为1.0级。

在穿透性裂纹的断口处截取试样进行观察，如图3和图4所示。断口处存在一处由外壁向内壁扩展的微裂纹，图3是未经腐蚀的金相照片，腐蚀后的金相组织见图4，可看到裂纹为穿晶裂纹[6]。

2 分析与讨论

（1）通过观察断口表面，发现靠近焊缝侧的断口颜色发蓝，另一侧颜色正常，说明穿透性裂纹在焊接过程中已经产生。由于缩颈处外表面存在长约10 mm、深约1.5 mm纵向裂纹源，且在第二次缩口时没有进行消应力热处理，从而造成应力集中[7]。由于焊接时温度较高，使得靠近焊缝侧的断口颜色发蓝，并由钢管外表面裂纹源处起裂，沿管子壁厚向内表面扩展，造成穿透性裂纹。

（2）钢管供方在交货前按GB/T 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》的规定对20G钢管进行了水压试验。试验压力为20 MPa，但由于水冷壁管在设备制造过程中已产生穿透性裂纹，导致钢管致密性和承压能力下降。在水冷壁水压试验加压过程中，裂纹沿钢管的轧制方向向两侧扩展，向上扩展至到缩口的上部，向下扩展至距离环缝15 mm左右处，造成30 cm长的穿透性裂纹。

（3）通过对20 G钢管进行检验，表明其外表面存在向内壁延伸的纵向微裂纹。该类缺陷在冷缩管的焊接过程中极易造成裂纹扩展，存在严重的质量隐患。按照标准和采购技术条件的规定，供方应对钢管逐支进行超声检测和涡流检测，一般均可发现此类缺陷，且质量证明书显示无损检测结果满足采购技术条件的要求，因此外表面纵向微裂纹的存在说明供方在无损检测时未严格把关。

3 结论及建议

（1）供货状态的20 G钢管外表面已存在纵向裂纹源，由于在第二次缩口后未进行消应力热处理，造成应力集中，导致与扁钢焊接时裂纹源向钢管内表面扩展，产生穿透性裂纹。在水冷壁水压试验加压过程中，穿透性裂纹沿钢管的轧制方向向两侧扩展，造成炉流化床锅炉水冷壁管泄漏。

（2）在后续工作中，应结合材料特性和服役环境优化制造工艺，尽量避免因冷变形、焊接等工艺过程造成应力集中、裂纹扩展等质量缺陷。

（3）在原材料采购过程中，应加强对供方制造、试验和检验等流程的质量管控，从人、机、料、法、环全面规范管理和监督，必要时对原材料进行理化性能和无损检测的入厂复验，降低质量风险[9]。

参考文献

[1] 韩志远.某热电厂600 MW锅炉水冷壁管开裂原因[J].理化检验（物理分册），2021，57（2）：60-62.

[2] 卢如意.电站锅炉水冷壁管的疲劳失效分析[D].西安：西安工业大学，2018

[3] 任凯.电厂水冷壁管爆裂失效分析[J].理化检验（物理分册），2019，54（9）：689-691.

[4] 范志强，高德平，覃志贤，等.20号钢的冲击拉伸力学性能实验研究[J].燃气涡轮实验与研究，2006，19（4）：35-37.

[5] 李鹏刚.某电厂水冷壁爆管原因分析及建议[J].电工技术，2020（9）：155-156，158.

[6] 张鹏鹏，姜勇，张良杰，等.20G钢锅炉水冷壁管爆管原因分析[J].热加工工艺，2022，21（4）：159-162.

[7] 吴海青.20 G变径管接头裂纹分析与研究[J].机械工程与自动化，2020（6）：136-137.

[8] 左国锋，彭先明.20 G锅炉管拔口开裂原因分析[J].锅炉技术，2021，52（5）：51-55.

[9] 王悦谢小娟郭佳鑫等.锅炉水冷壁爆管原因分析及措施探讨[J].广东化工，2022（4）：175-177，203.1A668EB1-A3B5-4549-B4B8-2FBAEDD7664A