1 036 MW超超临界锅炉包墙过热器泄漏原因分析

刘佳伟 刘 森 张维星

（1.陕西弘顺电力科技有限公司 西安 710054）

（2.西安高新区城市管理和综合执法局 西安 710075）

近年来，电站锅炉受热面管泄漏引起的机组“非停”的现象频发，锅炉受热面管的泄漏原因有很多，其中包括管材使用不当[1]、安装质量不合格[2]、管子磨损[3]和腐蚀、机组常态化调峰运行导致管子存在交变应力[4]等。

某电厂3号锅炉为某有限公司制造的超超临界、一次再热、单炉膛、尾部双烟道结构、前后墙对冲燃烧的燃煤本生直流锅炉，包墙过热器设计压力为31.3 MPa，设计温度为480 ℃。锅炉在运行期间，发现A侧包墙出口集箱从炉前向炉后数第1根进口管发生泄漏，泄漏部位的包墙过热器管样材质为15CrMoG，规格为φ38.1×6.5 mm。3号锅炉自投产至本次包墙过热器管发生泄漏，已累计运行约8.5万h。锅炉受热面管在运行过程中失效时，应查明失效原因，提出应对措施[5]，为查找包墙过热器管泄漏的原因，本文对泄漏管样进行了取样试验与分析。

1 试验方法

1.1 宏观形貌检查

包墙过热器管泄漏位置为管子的A侧鳍片附近，A侧鳍片位于炉外，包墙过热器鳍片分布见图1（c），A侧鳍片的主要用途是在鳍片上打铆钉，从而悬挂保温棉。打磨掉鳍片，经渗透检测，发现在鳍片焊缝下存在横向的形状为“W”型的裂纹，见图1（a）。沿裂纹将其打开，两侧断口形貌见图1（b），断口两侧未见明显的塑性变形。

图1 管样裂纹形貌及取样位置示意图

1.2 金相分析

在管样横向裂纹开口最大处（编号为1号）、裂纹尖端处（编号为2号）和裂纹开口最大处的背面侧（编号为3号）分别截取纵向金相块，在距离泄漏位置40 mm处（编号为4号）截取金相环样，取样位置见图1（a），经砂纸粗、细磨和抛光后，用4%硝酸酒精溶液对各试样进行擦拭，在ZEISS LSM 700型激光共聚焦扫描显微镜下对各试样的显微组织和内壁形貌进行观察分析，依据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》对15CrMoG钢进行晶粒度评级。GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对15CrMoG的晶粒度要求为4～10级。依据DL/T 787—2001《火电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准》对15CrMoG进行球化评级，该标准对珠光体球化等级分为1～5级，依次为未球化（原始态）、倾向性球化、轻度球化、中度球化、完全球化。金相分析结果见表1和图2～图5，结果表明：

表1 金相分析结果

图2 1号试样各部位显微组织及内壁形貌

图3 2号试样各部位显微组织及内壁形貌

图4 3号试样显微组织及内壁形貌

图5 4号试样向火面和背火面显微组织及内壁形貌

1）管样各部位母材的显微组织为铁素体+贝氏体，晶粒度为8～9级，球化1～2级，即未球化～倾向性球化；

2）由1号、2号试样近外壁断面氧化皮厚度可以判断，裂纹由鳍片焊缝附近产生，并向管子母材扩展直至发生泄漏。

1.3 扫描电镜能谱成分分析

在FEI Quanta 400型扫描电镜和OXFORD INCA Energy X射线能谱仪下对泄漏管样进行能谱成分分析，结果见表2。结果表明：管样的材质与设计相符，不存在错用材料问题。

表2 管样能谱成分分析结果质量分数，%

将管样横向裂纹沿裂纹打开后在弱酸下进行清洗，在FEI Quanta 400型扫描电镜下对裂纹断面进行观察。由图6可以看出，断面上有相互平行的清晰的疲劳条纹，这些条纹呈圆弧形，有规则的间距，并垂直于裂纹的扩展方向，为典型的疲劳特征，裂纹由外壁向内壁扩展。

图6 裂纹打开后断口宏观形貌（上为外壁，下为内壁）

1.4 硬度试验

依据GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》在ⅤILSON ⅤH1150型维氏硬度试验机上对各金相试样进行维氏硬度试验，载荷为10 kgf（约98 N），保荷10 s。试验结果见表3。结果表明：

表3 硬度试验结果

1）1号、2号及3号试样母材的硬度平均值分别较标准要求的上限值高19 HB、31 HB、4 HB；

2）4号试样各部位的硬度值均符合标准要求。

1号、2号试样的硬度值大幅超出标准要求的上限值，可以判断开裂区域材质的力学性能存在明显异常；锅炉运行期间的温度不足以造成管子局部力学性能的变化，所以可以推断造成硬度异常的原因为鳍片焊接工艺控制不当。

2 试验结果

对泄漏管样进行了宏观形貌检查、金相分析、扫描电镜分析和硬度试验。结果综述如下：

1）打磨掉鳍片角焊缝，经渗透检测，发现泄漏管样在鳍片角焊缝附近存在横向的形状为“W”型的裂纹，沿裂纹将其打开，断口两侧未见明显的塑性变形。

2）管样各部位母材的显微组织为铁素体+贝氏体，晶粒度为8～9级，球化1～2级，即未球化～倾向性球化；由1号、2号试样近外壁断面氧化皮厚度可以判断，裂纹由鳍片角焊缝附近产生，并向管子母材扩展直至发生泄漏。

3）管样的材质与设计相符，不存在错用材料问题；裂纹打开后断口形貌为典型的疲劳特征。

4）1号、2号及3号试样母材的硬度平均值分别较标准要求的上限值高19HB、31HB、4HB；4号试样各部位的硬度值均符合标准要求；由局部硬度大幅超标推断出鳍片焊接工艺控制不当。

包墙过热器管在A侧鳍片焊缝附近发生开裂，由于鳍片焊缝已被打磨掉，无法判断其开裂原因，管样在鳍片角焊缝附近开裂后向管子母材处扩展，由于管子震动、锅炉启停、负荷变化等原因导致管子母材发生疲劳开裂，直至泄漏。

3 结论及建议

管样在鳍片焊缝开裂后向管子母材处扩展，在管子震动、锅炉启停、负荷变化等因素的长期作用下，导致管子母材发生疲劳开裂，直至泄漏。建议在以后检修期间，加强对受热面管鳍片焊缝部位的检验，发现缺陷及时处理；在锅炉启停、调峰运行期间，严格控制锅炉升温、降温速率，避免受热面管受到较大热应力；严格执行焊接工艺文件，做好焊后热处理。