锅炉吹灰孔水冷壁管开裂原因分析

李万立,张曙东,封小亮,刘课秀,马 括

(广州特种承压设备检测研究院,510000,广州)

0 引言

水冷壁管作为锅炉的重要部件,其质量的可靠性直接关系到锅炉的运行安全,进而影响电厂的安全生产。一般水冷壁管发生开裂爆管可能是锅炉启停不符合要求、设计安装不当、管壁腐蚀减薄导致抗内压强度降低以及酸蚀氢脆等原因[1-7]。SA-210C钢是20世纪80年代初引进美国CE和WH公司的300 MW和600 MW亚临界机组制造技术时的引进的发电设备材料,属珠光体型热强钢[8]。该钢的生产工艺简单,冷热加工性能好,屈服强度比20号钢高20%左右,而其塑性与韧性跟20号钢相当。用其代替20号钢,可以减薄壁厚,降低材料用量,还可以改善锅炉的传热状况[9]。目前,已广泛应用于300 MW、600 MW等大容量电站锅炉工作温度低于500 ℃的水冷壁、省煤器、低温过热器等受热面管系和集箱、汽水管道等。近年来,因水冷壁管开裂爆管引发的生产安全事故频频发生,给企业带来重大经济损失。因此,分析水冷壁管开裂原因,提出相应的预防措施尤为重要。

1 实验材料与方法

某火力发电厂锅炉型号为DG1070-II4,水冷壁管规格为63.5 mm×7.5 mm,材质为SA-210C,其化学成分见表1。水冷壁管设计压力18.7 MPa,工作温度为376 ℃,2007年8月投入使用。2021年1月发现该炉吹灰枪附近出现水冷壁管泄漏,停炉检查发现吹灰孔处水冷壁管折弯部位存在开裂,开裂时运行压力约15.5 MPa,运行温度约360 ℃,该机组为调峰调频机组,负荷经常出现瞬时波动,为探明该水冷壁管开裂失效原因,并提供有效预防措施,本文对其开裂处进行宏观分析、硬度试验、金相分析、扫描电镜形貌及能谱分析。

表1 水冷壁管化学成分分析结果(wt.%)

2 结果与分析

2.1 宏观形貌分析

发生开裂的水冷壁管如图1(a)所示。水冷壁管开裂泄漏处位于吹灰孔下方,水冷壁管下弯折处,水冷壁管直管段割缝根部可见由割缝向管子母材方向扩展的裂纹,如图1(a)中的放大图。取样分析的水冷壁管为弯管,长度约180 mm,外壁有大量的吹损痕迹,如图1(b)所示。水冷壁管开裂泄漏处位于下吹灰孔下弯折处封板割缝的根部,开裂处裂纹呈横向扩展,长度约30 mm,裂纹附近表面无明显腐蚀痕迹,封板多个割缝根部结构尖锐,部分割缝根部已出现裂纹,如图1(c)所示。对开裂的水冷壁管内壁进行观察,可见裂纹已贯穿,水冷壁管内壁未见明显腐蚀及减薄,如图1(d)所示。将裂纹人工掰开并置于体视显微镜下进行观察,可见裂纹中间受到泄漏蒸汽明显冲刷,断口表面呈黄褐色严重氧化状,裂纹由外壁割缝位置向内壁呈弧形扩展,断口局部可见贝壳纹,如图1(e)所示。

图1 水冷壁管开裂位置宏观分析

2.2 硬度试验

对水冷壁管进行维氏硬度试验,结果见表2,管子与封板焊接处焊缝区硬度为194 HV10,热影响过热区、部分相变区硬度分别为170 HV10、171 HV10,母材硬度为193 HV10。对母材区进行布氏硬度试验,硬度值为187 HB,略高于ASME SA-210/SA-210M中对SA-210C的标准技术要求上限值。因硬度试验母材取样分析部位为折弯管,母材硬度值偏高判断与水冷壁管的形变强化有关。

表2 硬度试验结果

2.3 金相分析

对水冷壁管开裂处裂纹尖端进行表面金相覆型分析,观察发现,裂纹无明显分支,裂纹边缘多呈锯齿状,水冷壁管母材组织为铁素体+珠光体,组织未见明显球化,如图2(a)、(b)所示。

图2 水冷壁管金相显微分析

2.4 扫描电镜形貌及能谱分析

对水冷壁管开裂部位截取断口试样,在断口清洗前后分别进行扫描电镜断口形貌观察及能谱分析。

对断口进行扫描电镜形貌观察及能谱分析,断口由原始断口与人工断口组成,具体如图3(a)、(b)所示。水冷壁管与封板相连接部位已开裂并贯穿整个壁厚,断口表面受到明显冲刷,原始断口表面整体被氧化产物等覆盖,断口两侧未贯穿处局部可见由外壁向内分布的弧形花样。对断口裂纹扩展尖端进行微区成分半定量分析,结果显示主要为50.06 wt.%Fe、32.71 wt.%O、6.94 wt.%Al、6.38 wt.%Si、1.25 wt.%Ca,并有少量的C、Mg、P、S、Ti、Mn,具体如图3(c)所示。

图3 水冷壁管断口位置扫描电镜微观形貌及能谱分析

对断口采用5%稀盐酸水溶液超声波清洗后观察断口形貌,断口表面可见明显的疲劳条纹和微观疲劳辉纹,裂源区位于外壁封板割缝根部位置,如图4所示。

图4 水冷壁管断口酸洗后扫描电镜微观形貌

2.5 分析与讨论

开裂水冷壁管材质为SA-210C,材质与设计相符,水冷壁管母材硬度值略微偏高,判断与水冷壁弯管的形变强化有关(材料冷加工造成的加工硬化),水冷壁管母材显微组织均未见明显异常,以上表明水冷壁管材料质量无异常;水冷壁管外壁和内壁均无明显腐蚀现象,表明水冷壁管开裂与腐蚀无明显关联。结合水冷壁管开裂部位结构及工况分析,该锅炉机组为调峰调频机组,负荷经常出现瞬时波动,当锅炉启停和参与调峰出现负荷瞬时波动时,封板与吹灰器口水冷壁管之间的温度偏差及吹灰器口水冷壁管与正常部位水冷壁管之间的温度偏差均会产生一定的热应力,以及吹灰枪冷凝水对水冷壁管带来的冷热交变应力等,因此,通过在封板位置增加割缝来释放应力,然而水冷壁管弯折处割缝根部尖锐则会引起严重的应力集中,从而在水冷壁管的封板割缝根部尖锐位置造成较高的峰值应力,使割缝根部尖锐部位在热应力作用下萌生裂纹,形成启裂源,随着锅炉的反复启停和负荷瞬时波动,最终使得吹灰器口水冷壁管弯折处封板割缝根部发生疲劳开裂。

3 结论与预防措施

水冷壁管的封板割缝根部结构尖锐,锅炉启停及负荷瞬时波动造成水冷壁管及封板局部温度差异较大并产生循环热应力,导致水冷壁管的封板割缝根部的尖锐位置在热应力作用下发生开裂形成启裂源,并在循环热应力的作用下发生疲劳开裂。基于水冷壁管失效原因,提出以下预防措施。

1)吹灰口封板割缝根部结构应合理设置,确保圆滑过渡,避免尖锐结构导致局部严重应力集中。

2)加强对吹灰口封板及水冷壁管的检查,尤其应加强对封板割缝根部的检查。

3)适当提高吹灰蒸汽温度,避免吹灰蒸汽温度过热度不足造成冷凝水流至吹灰孔水冷壁管,产生冷热交变应力。