某電站鍋爐水冷壁側包墻管泄漏原因分析

季文波 安 棟 梁 奎 康龍基 王兆民

（1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 哈爾濱 150046)

（2.中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

電站鍋爐水冷壁按結構型式，主要有光管式、膜式和刺管式3類，其中膜式水冷壁是把光管與鰭片焊接在一起，使成為一密封的組合受熱面，該結構既可提高爐膛的氣密性，又能更好地保護爐墻，使爐墻重量減輕、結構簡化[1-4]。膜式水冷壁的光管與鰭片焊接時多采用成排自動焊形成連續的角焊縫，影響焊接質量因素主要有：1）焊縫氣孔，如果焊接時母材表面存在鐵銹及油污時，便會造成焊縫氣孔，所以一般在焊接前要對母材進行清理，可采取機械打磨、高溫燒結等方式；2）焊接參數不穩定，自動焊雖然設定的焊接參數是固定的，但如果走絲速度及進管速度不穩定，焊接質量同樣不穩定；3）起弧、收弧處易產生缺陷，鰭片端部的起弧及收弧處往往存在焊接熱輸入易過大、焊材不能填滿熔池表面等缺陷，導致角焊縫端部產生焊接缺陷。

本次泄漏是在鍋爐運行過程中產生的，位置在水冷壁延伸側包墻管與鰭片角焊縫端部。為分析產生泄漏的原因，現場進行割管，泄漏樣管材質為12Cr1MoVG，規格為φ38×8.5 MWT，鰭片材質為12Cr1MoV，規格為δ=6 mm。

1 理化檢驗

1.1 取樣位置及對應編號

對樣管取樣進行理化檢驗，包括宏觀檢查、化學成分分析、力學性能檢測、金相分析，取樣位置及試樣編號見圖1、表1。

圖1 取樣位置及對應編號

表1 樣管取樣位置、編號及試驗內容

1.2 宏觀檢驗

由樣管的表面宏觀形貌可知，樣管整體平直，沒有明顯的外徑脹粗、彎折、扭轉等變形現象。樣管外表面沒有積灰和結焦現象。泄漏處位于管子與扁鋼焊接的角焊縫端部，并沿角焊縫與管子界面處擴展，裂紋長度約占管子2／3圓周，裂紋附近有水漬，現場水冷壁照片及樣管宏觀形貌見圖2。

圖2 現場水冷壁照片及樣管宏觀形貌

1.3 化學成分分析

在樣管一端遠離泄漏處截取化學分析試樣，試樣編號為1#，用OBLF QSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表2。分析結果表明：樣管的化學成分符合GB／T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[5]的規定。

表2 樣管化學成分 %

1.4 力學性能檢測

●1.4.1 室溫拉伸試驗

在樣管上遠離泄漏處取室溫拉伸試樣，試樣編號為2#，采用WDW-300E電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，檢測結果見表3。試驗結果表明：樣管的室溫拉伸性能符合GB／T 5310—2017的規定。

表3 室溫拉伸試驗結果

●1.4.2 硬度檢測

在樣管泄漏處取硬度試樣，試樣編號為3#。采用HVS-50型維氏硬度計進行檢測，檢測結果見表4。試驗結果表明：樣管遠離裂紋處的母材的硬度值符合GB／T 5310—2017的規定，樣管裂紋處熱影響區的硬度遠遠高于母材硬度，熱影響區硬度高出母材硬度82 HV，不符合廠內工藝的要求，廠內工藝內控要求熱影響區硬度不超過母材硬度40 HV。

表4 樣管硬度檢測結果

1.5 金相組織分析

在樣管泄漏處取金相試樣，試樣編號為3#，對試樣進行粗磨、細磨和拋光，對拋光后的試樣采用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，采用AXIOVERT200MAT光學金相顯微鏡分別觀察腐蝕后試樣各位置的顯微組織和晶粒度，檢測結果見表5，試樣觀測位置及顯微組織如圖3、圖4所示。

圖3 顯微組織觀測位置

圖4 試樣各位置顯微組織

圖4 試樣各位置顯微組織（續）

表5 金相檢測結果

金相檢測結果表明：樣管母材的顯微組織和晶粒度符合GB／T 5310—2017的規定。樣管泄漏處角焊縫的顯微組織為貝氏體組織，角焊縫端部的母材表面有凹坑缺陷。裂紋貫穿整個壁厚，近外壁區域的裂紋中附著有氧化物。裂紋開口尺寸由外壁向內壁逐漸減小，外壁裂紋的開裂位置為熱影響區，裂紋未見分叉，裂紋邊緣平直，未見塑形變形，裂紋邊緣晶粒有沿晶也有穿晶。內壁裂紋兩側母材不平齊，其中一側內壁母材有向外壁移動的痕跡。

2 試驗結果分析

1）通過化學成分分析結果可知，樣管的化學成分符合GB／T 5310—2017對12Cr1MoVG材料的規定。

2）通過力學性能試驗結果可知，樣管母材的室溫拉伸性能、硬度值符合GB／T 5310—2017對12Cr1MoVG材料的規定。泄漏處熱影響區的硬度遠遠高于母材硬度。

3）通過宏觀檢查可知，樣管整體平直，沒有明顯的外徑脹粗、彎折、扭轉等變形現象。泄漏處裂紋沿角焊縫與管子界面處擴展，裂紋長度約占管子2／3圓周，裂紋附近有水漬。

4）通過金相分析可知，樣管母材的顯微組織和晶粒度符合GB／T 5310—2017的規定。樣管泄漏處角焊縫的顯微組織為貝氏體組織，角焊縫端部的母材表面有凹坑缺陷。裂紋開口尺寸由外壁向內壁逐漸減小，近外壁區域的裂紋中附著有氧化物，由此可以推斷裂紋是由外壁向內壁擴展。裂紋在外壁的開裂位置在角焊縫端部的熱影響區，裂紋未見分叉，裂紋邊緣平直，未見塑性變形，裂紋邊緣晶粒有沿晶也有穿晶。內壁裂紋一側母材有向外壁移動的痕跡，由此可以推斷在外界應力的作用下，裂紋首先在外壁熱影響凹坑處形成并擴展，直至裂紋貫穿后，外界應力繼續作用而使裂紋兩側的母材不在同一水平線上。

5）據調查，該焊縫是在東北某廠房的冬季焊接的，焊接時該廠房的供暖設備出現故障，整個焊接過程中的環境溫度低于0 ℃，并且未在焊后采取緩冷保溫措施。上述操作違反了該廠內“當焊接環境溫度低于0 ℃時，在焊接過程中應搭建防護棚，焊后應采取緩冷保溫措施”的要求，由于低溫環境及焊后冷速過快，導致該處熱影響區硬度高出母材硬度82 HV，已不符合廠內工藝的要求，從而使熱影響區塑性降低。

在檢查生產記錄的過程中，發現角焊縫端部焊接熱輸入過大，使該處母材表面在焊接時產生了凹坑缺陷（如圖3中所示的A點），從而使該處產生應力集中，且該處熱輸入過大導致焊縫及熱影響區內具有較高的焊接應力。

6）綜上所述，樣管裂紋產生的位置符合低塑性脆性裂紋的特征，低塑性脆性裂紋一般產生于淬硬區中，如圖5所示，淬硬區具有硬度高、變形能力小、韌性低、內應力大的特征。

圖5 焊接冷裂紋產生的區域

本次分析的樣管由于焊接不規范，導致熱影響區硬度高、塑性低，焊縫及熱影響區焊接應力高，熱影響區具有淬硬區的特征。且樣管外壁有凹坑缺陷，為該處產生低塑性脆性裂紋創造了條件。運行的過程中樣管又受到外界應力的作用，由圖4（d）可以看到，裂紋貫穿后，在外界應力的作用下，裂紋一側的母材受到拉扯而高于另一側的母材。外界應力的來源可能是管膨脹受阻時產生的膨脹應力，或者快速升降負荷時產生的交變應力。

3 結束語

1）樣管的化學成分、力學性能、金相組織均滿足GB／T 5310—2017對12Cr1MoVG材料的規定。

2）水冷壁側包墻管泄漏原因：水冷壁管與鰭片焊接時，由于焊接不規范（環境溫度低而未采取措施、焊縫端部焊接熱輸入大），造成該處焊接熱影響區硬度偏高、塑性降低、焊接應力高，且該處外壁有凹坑焊接缺陷，使該處應力集中，在外界應力的作用下，低塑性脆性裂紋在外壁凹坑處產生并向內壁擴展，最終發生泄漏。

3）建議在焊接的過程中嚴格按照焊接工藝執行，環境溫度低時，加強保溫及緩冷措施。起弧、收弧處等易產生焊接缺陷區域加強焊接質量控制，焊機啟動后應在機器狀態穩定時再進行焊接。焊后加強焊縫表面缺陷的排查，發現有凹坑缺陷時，及時進行打磨、焊補等措施，避免局部應力集中。必要時應進行焊后熱處理，消除焊縫及熱影響區焊接應力，提高焊縫及熱影響區塑性。