水冷壁管是電站鍋爐的重要組成部分之一,通常布置在爐膛四周或中間,主要通過熱對流、熱輻射等方式吸收爐膛中燃煤、燃氣產(chǎn)生的高溫火焰及煙氣熱量,再將熱量傳遞給管內(nèi)循環(huán)流動的介質(zhì),使其汽化形成汽水混合物或飽和蒸汽,完成汽水循環(huán)[1－4]。目前為保證火電廠大容量、高溫、高壓鍋爐的爐膛氣密性良好,通常采用管子與鰭片(扁鋼條)相互連續(xù)焊接而成的膜式水冷壁結(jié)構(gòu),水冷壁管內(nèi)外環(huán)境差異較大,工作條件苛刻,在服役過程中易發(fā)生吹損減薄、高溫腐蝕、超溫、堿腐蝕、鰭片拉裂等問題,最終發(fā)生爆管現(xiàn)象并導(dǎo)致機組停運,嚴重影響了機組的運行安全[5－9]。

某火電廠二期4號機組于2019年6月發(fā)生鍋爐水冷壁管泄漏事故,停機后檢查發(fā)現(xiàn)共有4根泄漏管,爐左第5,6,24根管局部開裂,爐右第7根管斷裂。該鍋爐爐膛水冷壁為膜式鰭片結(jié)構(gòu),由規(guī)格為60 mm×7.5 mm(外徑×壁厚)、材料為SA210C鋼的光管和內(nèi)螺紋管與6 mm(厚度)鰭片焊接而成,節(jié)距為76 mm。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了水冷壁管泄漏的原因,并提出了改進建議,以避免該類事故再次發(fā)生。

1. 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

爐右第7根斷裂管(1號試樣)的宏觀形貌如圖1所示,爐左第5根開裂管(2號試樣)的宏觀形貌如圖2所示。由圖1,2可知：爐右第7根斷裂管斷裂位置為鰭片與水冷壁焊縫切口端部；爐左第5根開裂管的開裂位置為鰭片V形切口底部尖端。

圖 1爐右第7根斷裂管的宏觀形貌

圖 2爐左第5根開裂管的宏觀形貌

1號試樣斷口的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：1號試樣起裂源位于鰭片與水冷壁焊縫切口端部,且起裂源有兩處；通過觀察斷口表面金屬顏色可以判斷,源區(qū)1首先發(fā)生開裂,裂紋向?qū)?cè)快速擴展,裂紋擴展至接近源區(qū)2時,在源區(qū)2產(chǎn)生了新的裂紋,并向源區(qū)1方向擴展,裂紋在接近源區(qū)2的一端匯合,使試樣最終發(fā)生了斷裂；在整個斷口上,裂紋源區(qū)面積最小,裂紋擴展區(qū)面積最大。上述裂紋源也是較為明顯的應(yīng)力集中部位。

圖 31號試樣斷口宏觀形貌

將2號試樣縱向剖開,觀察開裂截面的宏觀形貌,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：2號試樣鰭片V形切口底部加工工藝較差,形狀較為尖銳,應(yīng)力集中明顯,該處為裂紋的起裂位置,裂紋擴展速率較快；在整個斷口上,裂紋源區(qū)面積最小,裂紋擴展區(qū)面積最大。

圖 42號試樣開裂截面的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

使用光譜分析儀分別對1號、2號試樣進行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：1號、2號試樣的化學(xué)成分均符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

1.3 力學(xué)性能測試

依照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 5310—2017,分別在1號試樣斷面、 2號試樣開裂處的臨近母材上取樣,對試樣進行力學(xué)性能測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：1號試樣的抗拉強度和斷后伸長率不符合GB/T 5310—2017標準要求,屈服強度滿足標準要求；2號試樣的力學(xué)性能均滿足標準要求。

對1號、2號試樣進行硬度測試,結(jié)果如表3所示。由圖3可知：1號、2號試樣的硬度均符合DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求。

1.4 金相檢驗

在1號試樣裂紋源處取樣,對試樣進行金相檢驗,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：1號試樣裂紋源附近位置分為3個區(qū)域,I區(qū)為鰭片,顯微組織為珠光體＋鐵素體,珠光體球化等級為2級；II區(qū)為鰭片與焊接角焊縫熔合線區(qū)域,顯微組織為較粗大的貝氏體＋鐵素體；III區(qū)為管子母材與鰭片焊接角焊縫區(qū)域,顯微組織為貝氏體＋鐵素體。

圖 51號試樣裂紋源處的顯微組織形貌

分別在1號試樣斷口處母材和2號試樣開裂處母材位置取樣,對試樣進行金相檢驗,結(jié)果如圖6,7所示。由圖6,7可知：1號試樣母材的顯微組織為鐵素體＋珠光體,珠光體球化等級為2級；2號試樣母材的顯微組織為鐵素體＋珠光體,珠光體球化等級為2級；1號、2號試樣的顯微組織均未見異常,因此可初步判定缺陷的產(chǎn)生與材料老化無關(guān)。

圖 61號試樣斷口處母材的顯微組織形貌

圖 72號試樣開裂處母材的顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

在1號試樣裂紋源處取樣,用掃描電鏡觀察試樣,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：1號試樣裂紋源處呈河流狀花樣形貌,為解理斷口的特征形貌,屬于典型的脆性開裂,局部存在微裂紋。

圖 81號試樣裂紋源處SEM形貌

1.6 外徑和壁厚測量

分別對1號、2號試樣進行外徑和壁厚測量,結(jié)果如表4所示。由表4可知：1號、2號試樣的壁厚測量結(jié)果均符合DL/T 939—2016 《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督檢驗技術(shù)導(dǎo)則》的要求；1號、2號試樣的外徑蠕變應(yīng)變均符合DL/T 438—2016的要求。

2. 現(xiàn)場運行情況及管子安裝結(jié)構(gòu)檢查

2.1 現(xiàn)場運行情況

經(jīng)與電廠運行人員確認,該水冷壁管泄漏前,鍋爐啟動過程中的升溫和升壓曲線正常、鍋爐膨脹系統(tǒng)正常、鍋爐點火期間水質(zhì)正常,且運行中鍋爐載荷穩(wěn)定。因此可以排除現(xiàn)場運行情況的影響因素。

2.2 管子安裝結(jié)構(gòu)

敷管式爐墻的水冷壁爐墻外層無護板和框架梁,因此其剛性較差。為了能承受爐膛內(nèi)可能產(chǎn)生的爆燃壓力和爐內(nèi)正壓、負壓的變化,且使管子和爐墻在受到較大的推力時不產(chǎn)生凸起或裂紋,所有敷管式爐墻必須圍繞爐膛四壁在爐外分層布置剛性梁。常用剛性梁結(jié)構(gòu)型式為搭接式,并沿爐膛高度每隔3～4 m布置整圈,將爐墻和管子連接起來,并使之形成具有剛性的平面,部分重要區(qū)域還會緊貼管子加裝張力吊板,從而進一步增強其穩(wěn)定性。剛性梁和張力板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是水冷壁管安全運行的重要保障。對管子現(xiàn)場實際安裝情況進行檢查,發(fā)現(xiàn)泄漏管附近的多處剛性梁和搭接板連接螺栓出現(xiàn)松動現(xiàn)象,直接導(dǎo)致了水冷壁管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降(見圖9,10)。

圖 9連接螺栓松動位置現(xiàn)場

圖 10松動連接螺栓的宏觀形貌

對比鍋爐廠設(shè)計圖紙發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場安裝的搭板扣件型式與設(shè)計圖紙明顯不符,設(shè)計圖紙中的搭板扣件為L型,現(xiàn)場安裝的搭板扣件為長條形,該搭板扣件無法有效固定張力吊板。設(shè)計圖紙中的張力吊板安裝結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場實際安裝情況如圖11,12所示。

圖 11設(shè)計圖紙中的張力吊板安裝結(jié)構(gòu)示意

圖 12現(xiàn)場實際安裝情況

綜合上述分析可知,1號、2號試樣的化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度等均符合標準要求,顯微組織未見異常,且均未發(fā)現(xiàn)明顯脹粗及管壁減薄等現(xiàn)象,因此水冷壁管泄漏與材料本身性能無關(guān)。剛性梁連接螺栓松動降低了剛性梁及搭接板連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,加劇了水冷壁管運行中的振動；搭板扣件的實際安裝情況與圖紙設(shè)計不符,使其無法對張力吊板提供爐外側(cè)的約束,導(dǎo)致張力吊板在運行過程中產(chǎn)生振動及位移,對管子造成傷害；水冷壁鰭片切口的加工工藝較差,端部及根部外形尖銳,未進行圓滑過渡,導(dǎo)致該處應(yīng)力集中程度較大,在鍋爐運行過程中,鰭片應(yīng)力集中部位受到自身運行產(chǎn)生的交變應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)松動導(dǎo)致的振動作用,最終成為起裂源,且裂紋不斷擴展,最終導(dǎo)致水冷壁管破裂并發(fā)生泄漏。

4. 結(jié)論及建議

水冷壁管鰭片切割工藝差,使得切口端部及根部形成應(yīng)力集中,現(xiàn)場剛性梁安裝松動以及張力吊板的搭板扣件未按照設(shè)計圖紙進行制作,降低了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,使得水冷壁管在應(yīng)力集中部位發(fā)生開裂,裂紋不斷擴展,最終導(dǎo)致水冷壁管發(fā)生泄漏。

建議全面排查目前水冷壁管鰭片切口位置是否存在裂紋,對于存在裂紋且未擴展至管道母材的管子,應(yīng)及時消除其裂紋,并對所有管子鰭片切口的端部和根部進行圓滑過渡。改善水冷壁管鰭片切口的切割工藝,換管作業(yè)時,鰭片經(jīng)切割后,必須對其尖銳位置進行圓滑過渡,降低該位置的應(yīng)力集中程度。對鍋爐剛性梁結(jié)構(gòu)進行排查,并將該項檢查列入后續(xù)常規(guī)檢修計劃,每次機組停機檢修時,需對剛性梁結(jié)構(gòu)進行全面檢查,及時緊固松動的螺栓,修復(fù)變形的構(gòu)件,恢復(fù)剛性梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。全面排查該機組其余位置搭板扣件的安裝型式,對于未按照設(shè)計圖紙制作安裝的搭板扣件,應(yīng)按設(shè)計要求重新制作并安裝。

文章來源——材料與測試網(wǎng)