摘 要:某锅炉在运行期间发生水冷壁管泄漏事故,检查发现数十根管材外壁存在横向裂纹. 通过宏观检查、化学成分分析、力学性能测试、金相检验和扫描电镜分析,对锅炉水冷壁管横向裂纹 的形成原因进行了分析.结果表明:在壁温波动导致的热疲劳应力和腐蚀气氛的共同作用下,锅炉 水冷壁管向火侧管壁发生了腐蚀疲劳开裂,形成了密集的横向裂纹,最终导致水冷壁管泄漏.

关键词:水冷壁管;横向裂纹;热疲劳应力;腐蚀气氛;腐蚀疲劳

中图分类号:TG４０５ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５３６Ｇ０４

锅炉水冷壁管的可靠性直接关系到电厂机组的 安全有效运行,因此对锅炉水冷壁管的失效分析及 在此基础上的预防和监督措施就显得尤为重要[１]. 某锅炉在运行期间发生水冷壁管泄漏事故,停炉检 查发现泄漏的水冷壁管位于冷灰斗区域,其向火侧 外壁存在横向裂纹,进一步检查发现前后墙冷灰斗 区域的水冷壁管有数十根存在横向裂纹.该锅炉采 用垂直管圈的膜式水冷壁结构,存在横向裂纹的水 冷壁管 为 内 螺 纹 管,材 料 为 １５CrMoG 钢,规 格 为 ?３５mm×６．５ mm,截 止 泄 漏 机 组 累 计 运 行 了 约 ４０００h.为分析水冷壁管横向裂纹的形成原因,笔 者对其进行了宏观检查、化学成分分析、力学性能测 试、金相检验和扫描电镜分析,以避免类似事故重复 发生.

１ 理化检验

１．１ 宏观检查

对两根泄漏的水冷壁管进行宏观检查,泄漏水 冷壁管的宏观形貌如图１所示.可见两根水冷壁管 向火侧均有一条横向裂纹位于焊缝附近,背火侧则 未见裂纹;两根水冷壁管的向火侧表面覆盖较厚的 灰分或氧化物,背火侧表面则没有灰分或氧化物存 在,但有红色锈蚀产物.两根水冷壁管没有明显的 变形、鼓包、涨粗、减薄等现象.

将两根水冷壁管在横向裂纹处掰断,泄漏水冷 壁管的断口宏观形貌如图２所示.可见裂纹断面已 氧化锈蚀,裂纹贯穿钢管内外壁,在断面上呈扇形分 布,裂纹的外壁长度大于内壁的,说明裂纹起源于钢 管外壁,向内壁扩展. 将该水冷壁管酸洗后对其进行宏观检查,其表 面宏观形貌如图３所示.可见向火侧外壁存在大量 裂纹,裂纹方向与管子轴线垂直,呈密集平行分布状 态;背火侧外壁则无裂纹出现,但有氧化腐蚀后的凹 坑特征.

１．２ 化学成分分析

采用 OBLFQSN７５０直读光谱仪对该两根水冷 壁管进行化学成分分析,结果见表１.由表１可知,两 根水冷壁管的化学成分均符合 GB５３１０－２００８«高压 锅炉用无缝钢管»对１５CrMoG钢的技术要求.

１．３ 力学性能测试

在两根水冷壁管的向火侧和背火侧分别取条状 试样,采用 WDWＧ３００E 电子万能试验机进行室温 拉伸试验,结果见表２.可见两根水冷壁管向火侧 和背火侧的室温拉伸性能均符合 GB５３１０－２００８ 对１５CrMoG 钢的技术要求.

１．４ 金相检验

分别在水冷壁管的向火侧裂纹附近处、向火侧 远离裂纹处和背火侧取金相试样,经磨制、抛光后采 用硝酸酒精溶液进行侵蚀,然后采用ZeissAxiovert ２００MAT 型金相显微镜进行金相检验,显微组织形 貌如图４~６所示.可见水冷壁管向火侧裂纹附近 处、向火侧远离裂纹处和背火侧的显微组织均为铁 素体＋珠光体,珠光体组织无球化特征,说明无超温 现象;晶粒度级别均为 ７ 级,满足 GB５３１０－２００８ 的要求.向火侧外壁存在大量的横向裂纹,

１．５ 扫描电镜分析

采用 Apollo３００型扫描电镜(SEM)对水冷壁 管的断口形貌进行观察,如图７所示.断口上可见 明显的贝纹线,呈现由外壁向内壁的疲劳扩展特征, 断口上存在的黑褐色物质为高温氧化物,说明在裂 纹扩展过程中伴随着高温氧化.

采用 Quantax能谱仪(EDS)对 水 冷 壁 管 裂 纹 内部物质进行能谱分析,分析位置及结果见图８. 可见裂纹内腐蚀产物中氧、硫元素含量较高,说明 管壁裂纹区 域 腐 蚀 严 重,其 中 硫 含 量 达 到 ７．５９％ (质量分数),可知腐蚀产物主要是铁的氧化物、硫 化物.

２ 分析与讨论

水冷壁管的化学成分、力学性能和显微组织均 符合 GB５３１０－２００８的要求.向火侧和背火侧显 微组织均为铁素体＋珠光体,并无珠光体球化现象, 说明无超温现象. 水冷壁管向火侧外壁存在大量平行的横向裂 纹,多数裂纹形态为楔形,从外壁向内壁穿晶扩展, 裂纹尖端圆钝未分叉,裂纹内部存在腐蚀产物;断口 上可见明显的贝纹线,贝纹线的出现是疲劳扩展的 重要特征及判断疲劳断裂的主要依据,说明裂纹性 质属于疲劳裂纹[２];通过能谱分析证实,裂纹内部腐 蚀产物主要是铁的氧化物和硫化物,其中硫含量达 到７．５９％(质量分数),说明水冷壁管运行过程中存 在含硫的腐蚀气氛[３].

水冷壁管横向裂纹密集,但未见管壁发生明显 腐蚀减薄,说明腐蚀介质虽然存在,但受限于冷灰斗 区域的水冷壁管壁温水平较低,并未发生区域性的 高温腐蚀,而是发生了以疲劳为主导、腐蚀起辅助和 促进作用的腐蚀疲劳开裂,应力因素

在裂纹形成中 的作用要大于腐蚀因素. 其腐蚀疲劳失效机理为:水冷壁管在高温运行过 程中会在向火侧外壁形成连续的氧化膜,由于氧化膜 与金属基体存在热膨胀系数和温度梯度差异,在起、 停炉或者机组负荷变化时,氧化膜与金属基体会承受 热疲劳应力,氧化膜的强度及塑性不及金属基体的, 会在氧化膜上产生横向裂纹沟槽以释放应力,如图９ 中I所示.在腐蚀气氛下,腐蚀介质会在裂纹沟槽处 与金属基体局部接触并造成选择性腐蚀,如图９中II 所示.由于裂纹沟槽处的应力集中,在热疲劳应力作 用下裂纹会进一步扩展,在此过程中腐蚀与疲劳交互 作用,大大加速了裂纹的扩展进程,造成裂纹贯穿内 壁而导致泄漏[４Ｇ７],如图９中III所示.

３ 结论及建议

在壁温波动导致的热疲劳应力和腐蚀气氛的共 同作用下,锅炉水冷壁管向火侧管壁发生了腐蚀疲 劳开裂,形成了密集分布的横向裂纹,最终导致水冷 壁管泄漏. 建议尽可能减少水冷壁管的壁温波动,控制水 冷壁管表面腐蚀气氛;同时可考虑对横向裂纹产生 区域的水冷壁管进行换管处理,对更换后的水冷壁 管进行热喷涂或堆焊处理,以隔绝腐蚀介质.

参考文献:

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文章来源——材料与测试网