锅炉管典型失效案例及其分析

毛长军，严 伟，谭舒平

（盛德鑫泰新材料股份有限公司，江苏 常州 213144）

目前我国燃煤火力发电容量占全国总装机容量的50%左右，燃煤火力发电量占全国总发电量的70%以上[1]。对燃煤火力发电，锅炉是非常重要的设备之一，也是电站实现稳定运营的重要基础保障。锅炉结构复杂，服役环境极为严苛，长期高负荷运行，极易出现故障和损坏，引起机组非计划停机，甚至发生爆炸事故，造成巨大的经济损失和人员的伤亡[2-4]。

因此，如何有效消除这些影响机组安全运行的隐患，降低事故发生概率，保障机组安全高效地运行就显得至关重要。现以电厂实际运行中出现的锅炉质量问题为背景，列举了锅炉管原材料缺陷、制造缺陷以及服役环境等引发的典型失效案例，并进行检验分析，提出针对性预防措施，以供相关技术人员参考。

1 锅炉管原材料缺陷及典型失效案例

1.1 钢管外表面裂纹

某电厂1 号炉在吹管过程中发生炉左侧省煤器泄漏，停炉检查发现省煤器有一根SA-210C 钢管靠近焊口处存在裂纹，裂纹长度约60 mm，裂纹宏观形貌和显微组织如图1 所示。从图1 看出，裂纹起始于管材外表面，向内表面呈楔形扩展（图1b）[5-6]；裂纹末端圆钝，内部充满氧化产物，裂纹附近组织为铁素体+珠光体（图1c），裂纹边缘存在脱碳现象。综合分析判断，此为原材料原始裂纹缺陷。

图1 SA-210C 管材裂纹宏观形貌和显微组织

1.2 钢管弯头内表面裂纹

某电厂2 号炉进行水压试验，在压力升至4.5 MPa 时，省煤器蛇形管2 根弯头发生泄漏，其中1根弯头的弯曲角度90°（图2a），另一根弯头的弯曲角度180°（图2b）。发生泄漏的这2 根弯管的材质均为20G，规格为Φ32 mm×4 mm。观察发现，这2 根弯头的泄漏处各存在1 条较直的纵向裂纹，2条裂纹均位于弯头外弯处。

图2 20G 弯管处裂纹的宏观形貌

上述20G 弯管的显微组织和缺陷处形貌如图3所示。母材组织为铁素体+珠光体，组织正常（图3a）；裂纹中存在高温氧化物（图3b～c）[7-8]。弯头未投入运行，且弯管时无受热过程，说明弯管前原材料管存在裂纹。弯管过程中，管材原始裂纹缺陷恰好处于弯制变形最大位置，进而发生纵向开裂。

图3 20G 弯管显微组织和缺陷处形貌

1.3 钢管原材料分层

某电厂1 号炉发生爆管事故，爆管时锅炉运行约1000 h。第一个爆口位于出口段顶棚往下约2.2 m 处，管子TP347H，Φ44.5 mm×9.5 mm（1 号管）；第二个爆口位于入口段顶棚往下2.3 m 处，管子TP347H，Φ54 mm×9.5 mm（2 号管），如图4 所示。分析认为，此次事故是1 号管原材料上存在分层缺陷导致爆管[9-10]，且离爆口越近处分层越严重，说明1 号管爆口处的分层裂缝间隙最大，此处为管材最薄弱处，故在此发生爆管。2 号管爆管应为1 号管吹损导致的爆管，2 号管组织形态正常。TP347H 管材爆口周边的显微组织如图5 所示。

图4 TP347H 管材爆口处分层现象的宏观形貌

图5 TP347H 管材爆口周边的显微组织

2 锅炉部件制造缺陷及典型失效案例

2.1 焊接成型不良

某电厂3 号炉H 型鳍片省煤器管材焊接接头发生泄漏，管材材质为20G，泄漏点的宏观形貌如图6 所示。发生泄漏的焊接接头为手工焊接接头，焊接时存在错边（图6c），在焊缝根部存在咬边缺陷（图6d）[11-12]。泄漏孔处存在1.6 mm 错边，内壁有焊肉剥落，说明打底焊道很浅或打底焊没有焊上。泄漏孔处一侧焊缝余高不足（小于1 mm），另一侧焊缝余高较大（超过5 mm），泄漏孔位于焊肉高低落差最大处。综合分析认为，发生泄漏是由于打底焊缝成型差，致使焊缝根部存在咬边缺陷造成的。

图6 20G 管材焊接接头泄漏点的宏观形貌

2.2 焊接接头内部缺陷

某电厂1 号炉在运行过程中，省煤器出现漏水现象，停炉检查发现两根漏水管存在大小不一的孔洞，管材材质为20G，规格为Φ42 mm×3.5 mm，3号管孔洞尺寸约为Φ10 mm，4 号管孔洞尺寸约为Φ3 mm。20G 管材孔洞处的宏观形貌和显微组织如图7 所示。4 号管孔洞周围的金相组织为魏氏组织；宏观观察发现该孔洞区域有切割和打磨痕迹，推断该位置上原有焊柱，焊柱在返修过程中被切掉，并经打磨处理。初步判定，该20G 管材上存在的孔洞缺陷应属于焊缝金属内部缺陷，为焊接过程中形成的贯穿型气孔。

图7 20G 管材孔洞处的宏观形貌和显微组织

据后续调查，4 号管位于第55 屏，泄漏点位于焊点区域。锅炉运行时省煤器标高约为19 m 位置的管内水压大约为1.0 MPa，周围环境温度约为300 ℃，该4 号管泄漏后，水柱喷到第53 屏的3号管上，由于高温及高压的作用，导致3 号管发生磨损，最后3 号管管壁严重减薄，产生较大的孔洞。

综合上述分析认为，4 号管上的孔洞是原螺柱焊接过程中形成的贯穿型气孔，3 号管壁厚严重减薄并产生孔洞的原因是被4 号管泄漏的高压水柱冲刷导致。

2.3 热矫缺陷

某电厂2 号炉高温再热器部件在现场安装前，弯头起弯处附近存在一条长约40 mm 的横向贯穿型裂纹，弯头材质为TP347H。经金相分析发现，裂纹区域近外表面约200 μm 的层深范围的金相组织已改变，已形成晶粒细小的组织，晶界和晶粒内部均有大量的析出相；而距外表面较远处金属内部则未有析出相。结合裂纹附近的外表面存在金属重熔后的褶皱，判断该TP347H 钢管经历了热矫处理，且温度过高造成过烧。TP347H 钢管弯头附近发生横向开裂的位置的宏观形貌和显微组织如图8所示。

图8 TP347H 钢管弯头附近发生横向开裂的位置的宏观形貌和显微组织

经分析，TP347H 钢管弯头附近发生横向开裂的原因是由于锅炉厂制造过程中热矫温度控制不当导致严重超温，晶间严重弱化，在弯管残余应力的作用下发生开裂的结果。

3 锅炉管服役中的常见质量问题及失效案例

3.1 长时过热

某电厂1 号炉在运行大于7000 h 后发生爆管事故，爆管材质为12Cr1MoVG 内螺纹管，爆口处的宏观形貌如图9 所示，显微组织如图10 所示。可以看到，材料背火面未发生变形和壁厚减薄，向火面侧均发生鼓胀变形减薄，开裂方向是由外表面向内表面扩展，且在外壁爆口根部两端出现了较多的蠕变裂纹。向火面处的珠光体组织已经完全分解并球化，且出现了蠕变孔洞（图10a）[13-14]，说明向火面在运行时处于长时过热超温状态；背火面组织正常（图10b）。

图9 12Cr1MoVG 内螺纹管爆口处的宏观形貌

图10 12Cr1MoVG 内螺纹管爆口处的显微组织形貌

3.2 高温氯腐蚀

某电厂锅炉高温再热器在运行过程中发生爆管，停炉检查发现内圈管T91 和最外圈管TP304H均发生腐蚀减薄。扫描电镜下的高温再热器用T91钢管爆管材料缺陷处的组织形貌和能谱分析结果如图11 所示。由扫描电镜分析可知，在内圈管T91材质外表面与积灰层界面处发现大量氯元素，说明煤中含有大量氯元素盐类，煤中氯含量达到一定值时，它的作用远远超过了硫的作用。研究表明[15-16]，煤中氯含量大于0.3%时，与氯有关的高温腐蚀倾向严重。硫的腐蚀是一次性的，而氯的腐蚀具有循环持续进行的特点。综合分析认为，该管材泄漏的原因是由于煤中含有大量的氯化物，烟气中的氯化物循环持续对管壁造成腐蚀导致的。

图11 T91 钢管爆管材料缺陷处的组织形貌和能谱分析

3.3 应力腐蚀

某电厂2 号炉高温再热器TP304H 穿墙管在运行中开裂，泄漏管段位于再热器集箱与再热器管屏之间的密封盒内，前端与套管单面焊，套管又与梳型板由工地焊接，梳形板与密封盒又同焊于水冷壁外墙，形成较强约束。TP304H 钢管因应力腐蚀而产生的表面开裂的显微组织如图12 所示。锅炉负荷变化时，该管段受到冷缩热胀作用会产生拉、压应力。管段外表面开裂处微观形貌表明裂纹分岔并沿晶扩展；管段金相组织未发现异常。扫描电镜观察断口形貌具有沿晶解理特征，如图13 所示，断口上存在多条二次裂纹，二次裂纹走向也是沿晶扩展；能谱分析结果表明，断口上含有钙、钠、镁、铝、氯和硫等元素，这些元素应来自于密封盒内的填充物珍珠岩，密封盒内填充珍珠岩是用来封堵并防止炉内烟尘外泄，但珍珠岩中的盐类介质（含有钙、钠、镁、铝、氯和硫等元素）包围了该管段，尤其在该管段的上表面区域，由于盐类介质沉积作用，给其提供了腐蚀环境。

图12 TP304H 钢管因应力腐蚀而产生的表面开裂的显微组织

图13 扫描电镜下TP304H 钢管缺陷处的组织形貌和能谱分析

综合分析认为，TP304H 钢管具有应力腐蚀材质敏感性，加上拘束产生的拉应力，以及管段周围沉积介质形成的腐蚀环境，满足了其产生应力腐蚀的3 个条件（材质、应力、腐蚀介质），因此使该管段发生了应力腐蚀开裂。

4 结 语

（1） 原材料钢管在制造过程中产生的原始裂纹是导致锅炉不能正常运行的原因之一，建议钢管生产企业严把质量关，杜绝不合格产品出厂，锅炉厂严格执行验收工作；

（2） 锅炉部件制造过程，如弯管、焊接等工序中也可能产生各种缺陷，预防及规避缺陷的存在对锅炉能否正常运行至关重要；

（3） 锅炉服役过程中，高温、高压、烟气腐蚀与冲刷等恶劣环境是导致管材裂纹快速扩展至失效的主要因素，服役过程中萌生的裂纹应通过定期检修监督得到控制。