鍋爐受熱面“四管”泄漏會(huì)使火電機(jī)組停機(jī)[1-2]。鍋爐“四管”中水冷壁管所處的環(huán)境最為苛刻，管內(nèi)外服役環(huán)境差異較大，受力最復(fù)雜，煙氣腐蝕最嚴(yán)重，在服役過(guò)程中易發(fā)生吹損減薄、高溫腐蝕、超溫、堿腐蝕等事故，導(dǎo)致水冷壁管泄漏[3-5]。
某電廠2號(hào)鍋爐為一次再熱、平衡通風(fēng)、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型超超臨界參數(shù)變壓直流爐，機(jī)組子2010年投運(yùn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為8 685.48 h。水冷壁設(shè)計(jì)介質(zhì)的壓力為31 MPa，溫度為480 ℃。爐膛水冷壁為內(nèi)螺紋管垂直上升式焊接膜式壁，其材料為15CrMoG鋼，規(guī)格為28.6 mm×6.4 mm（直徑×厚度）。前墻標(biāo)高48 m處一水冷壁管（自爐左側(cè)第74根管，EF層燃燒器上部偏爐右，處于蒸發(fā)區(qū)域）發(fā)生爆管事故，附近21根管子有橫向裂紋。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)水冷壁爆管原因進(jìn)行分析，以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
對(duì)爆口處和遠(yuǎn)離爆口處的水冷壁管進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：爆口處水冷壁管表面有明顯的結(jié)垢，在向火側(cè)表面分布有大量平行橫向條紋，主爆口靠近焊縫，背火側(cè)無(wú)結(jié)垢；遠(yuǎn)離爆口處的水冷壁管向火側(cè)表面無(wú)結(jié)垢，在向火側(cè)表面也有平行橫向條紋。
對(duì)爆口處和遠(yuǎn)離爆口處水冷壁管的剖面進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：兩個(gè)管子的向火側(cè)外壁均可見(jiàn)大量的橫向微裂紋，裂紋由外壁向內(nèi)壁直線擴(kuò)展，裂紋長(zhǎng)短不一，有較明顯的熱疲勞裂紋特征；兩個(gè)管子的背火側(cè)未見(jiàn)明顯裂紋。
1.2 化學(xué)成分分析
對(duì)開裂水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂水冷壁管的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)15CrMoG鋼的要求。
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | S | P | Mo | Si | Mn | Cr | |
| 實(shí)測(cè)值 | 0.15 | 0.004 | 0.009 | 0.46 | 0.23 | 0.61 | 0.90 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.12~0.18 | ≤0.015 | ≤0.025 | 0.40~0.55 | 0.17~0.37 | 0.40~0.70 | 0.80~1.10 |
1.3 力學(xué)性能測(cè)試
在開裂水冷壁管的背火側(cè)取樣，依據(jù)GB/T 228—2021《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》，利用電子拉伸萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用弧形試樣，保留試樣原始表面狀態(tài)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知：試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均滿足GB/T 5310—2017對(duì)15CrMoG鋼的要求。
| 項(xiàng)目 | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 屈服強(qiáng)度/MPa | 斷后伸長(zhǎng)率/% |
|---|---|---|---|
| 實(shí)測(cè)值 | 470，460 | 300，305 | 27.5，29.5 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | 440~640 | >295 | >21 |
在爆口處和遠(yuǎn)離爆口處的水冷壁管上取樣，依據(jù)GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用臺(tái)式硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為1 838.7 N，保持時(shí)間為10 s，硬度測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知：爆口處和遠(yuǎn)離爆口處的水冷壁管硬度均滿足DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求（118~180 HBW），且向火側(cè)和背火側(cè)的硬度無(wú)顯著差異。
| 測(cè)試部位 | 實(shí)測(cè)值 | 硬度平均值 |
|---|---|---|
| 爆口處管向火面 | 150，148，148 | 149 |
| 爆口處管背火面 | 154，152，152 | 153 |
| 遠(yuǎn)離爆口處管向火面 | 144，144，144 | 144 |
| 遠(yuǎn)離爆口處管背火面 | 140，140，141 | 140 |
1.4 金相檢驗(yàn)
依據(jù)DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)爆口處水冷壁管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：向火側(cè)組織為鐵素體+貝氏體，珠光體部分已經(jīng)分散，但仍保持原區(qū)域形態(tài)，球化級(jí)別為2~2.5級(jí)；背火側(cè)組織為鐵素體+貝氏體，珠光體形態(tài)完整，球化級(jí)別為1級(jí)。相對(duì)背火側(cè)組織，向火側(cè)組織的球化程度略高，表明向火側(cè)金屬壁溫度較高，這在一定程度上加速了材料老化。
爆口處水冷壁管的微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：向火側(cè)外壁存在大量橫向裂紋，多數(shù)裂紋形態(tài)為楔形，從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋區(qū)域內(nèi)存在氧化腐蝕產(chǎn)物，裂紋端部呈圓鈍狀，裂紋擴(kuò)展形式為穿晶擴(kuò)展，呈開裂→鈍化→開裂特征[6-8]；向火側(cè)內(nèi)壁也存在橫向裂紋，其形態(tài)與外壁裂紋類似，但數(shù)量和長(zhǎng)度少于外壁裂紋；背火側(cè)內(nèi)外壁均未發(fā)現(xiàn)裂紋。
1.5 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
利用掃描電鏡和能譜儀對(duì)水冷壁管向火側(cè)外壁的垢樣進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：該垢樣主要為煙灰成分，且含有較高濃度的S元素。
