鍋爐水冷壁管泄漏事故失效分析

林星豪, 王美歡, 張凌瀚, 黃芳建, 蔣 鵬,楊 磊, 張 浩, 史志剛

(1. 華能(福建)能源開發有限公司福州分公司, 福州 350200;2. 西安熱工研究院有限公司,西安 710054)

火力發電機組作為傳統的電力供應源,目前在中國仍然是最重要的電力供應設施。水冷壁是火力發電機組中重要的熱交換設備,在燃燒中超過40%的熱量由水冷壁吸收[1-4]。同時,水冷壁是機組最主要的蒸發受熱面,其運行工況也是整個機組中較為惡劣的。水冷壁管材質劣化氧化[5]、管子腐蝕[6-7]、管子設計與加工工藝不合理[8-9]、焊接工藝與金屬監督執行不到位[10-13]和運行時氧化物剝落堆積[14]等多種原因都可能造成爆管泄漏事故。

在機組檢修和調停過程中,多數電廠秉承“逢停必查”的原則對鍋爐受熱面進行多次防磨防爆檢查。但是,由于水冷壁等重要受熱面泄漏造成的機組非計劃停運的次數占比仍然遠高于其他設備故障所造成的非計劃停運的次數占比[15]。為了做到“長周期、零非?！钡臋C組運行目標,對于鍋爐泄漏事故必須進行失效分析,才能有針對性地管控和預防。

筆者針對某電廠水冷壁爆管事故進行失效分析,對泄漏的水冷壁管進行宏觀觀察、尺寸測量計算、化學成分分析、金相分析、力學性能測試和微觀斷口觀察等,分析討論泄漏原因,總結預防措施,為機組安全運行提供參考。

1 鍋爐本體情況

鍋爐為亞臨界壓力自然循環汽包爐,采用一次中間再熱、單爐膛、平衡通風,額定功率為350 MW。鍋爐水冷壁A/B側墻(右/左側墻)分別有144根管,材質為15Mo3(對應于GB/T 5310-2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》中的15MoG),規格為Φ66.7×6.2(外徑為66.7 mm、厚度為6.2 mm),含內螺紋14牙。發生水冷壁管泄漏事故前,機組已累計運行1.45×105h。

2 失效分析過程與結果

2.1 失效件宏觀觀察與尺寸分析

在爐膛檢查時,發現A側水冷壁的第80、81根管(管子編號為A80、A81)在14.3 m標高處存在泄漏點,A80管存在2處漏點,A81管存在1處漏點,同時管子間的鰭片上存在1處裂紋。管子泄漏處附近無水冷壁吹灰器,并且管子外觀無明顯因吹灰磨損而減薄的現象,因此可以排除吹灰磨損導致水冷壁管泄漏。

將泄漏水冷壁管從爐膛中切下,樣管的宏觀形貌見圖1。從圖1(a)、圖1(f)中可以看出,A80和A81管間的角焊縫位置存在大面積補焊痕跡,鰭片及角焊縫位置的補焊形貌凸凹不平,存在多處過度臺階狀形貌(見圖1(d)),由于焊接質量與焊縫成形較差,使得該區域的應力集中現象嚴重。進一步觀察,在A80和A81管間的向火面可以發現3個泄漏點且僅在泄漏點旁的母材及鰭片上存在蒸汽沖刷痕跡(圖1(b))。A80和A81管間的向火面鰭片有1條長約22 mm的縱向裂紋(圖1(c)),其背火面鰭片有1條長約10 mm的橫向裂紋(圖1(e))。檢修維護記錄顯示,于2013年更換過A80管,于2019年更換過A81管,因此推斷A80與A81管間的鰭片焊縫在2019年形成。

圖1 泄漏水冷壁管的宏觀形貌

觀察圖1(b)中泄漏點A、B、C可以發現:泄漏點A附近的管子無明顯吹損痕跡,而泄漏點B與C附近的母材存在明顯的減薄現象?？梢耘袛嘈孤cA為第一泄漏點,在A點泄漏后,噴出的工質對B點附近的母材沖刷而造成B點泄漏,故在泄漏點B附近的管子母材與鰭片處可以觀察到明顯的工質沖刷痕跡。C點泄漏的原因可能是B點泄漏噴出的工質沖刷C點附近的母材,同時A點泄漏的工質也可能在B點附近的管子沖刷反彈至C點,最終造成C點的泄漏。

為分析鰭片的焊接質量,將圖1(f)中的DK區域沿鰭片與管子角焊縫位置切割取樣,得到焊縫鰭片處和水冷壁管內壁試樣(分別見圖1(g)、圖1(h)),發現A80管鰭片處的橫向裂紋已經穿透管樣內壁,在內壁長約32 mm。用三點抗彎法打開斷口,裂紋斷面呈灰黑色,角焊縫向管樣母材方向有放射狀條紋(見圖1(i))。

測量計算圖1(f)中泄漏管樣的外徑和壁厚,結果見表1。由表1可知:A80和A81管吹損部位(WZ-2)的壁厚存在明顯減薄,其余部位的外徑蠕變應變和壁厚減薄量符合DL/T 438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》標準的要求。

表1 尺寸測量計算結果

2.2 化學成分分析

按照GB/T 223系列標準,在A80管上取樣,使用Thermo iCAP 6000型光譜儀對母材和角焊縫進行化學成分分析,A80管樣的化學成分分析結果見表2。與GB/T 5310-2017中的15MoG化學成分對比,結果表明A80管樣的化學成分符合標準的要求,并且A80管樣母材中有害元素S、P含量均較低,因此發生熱/冷脆的可能性較低[16]。A80管樣角焊縫的主要合金元素為Mn和Mo,與管樣母材成分基本一致,因此可以確認焊材的選取不存在問題。

表2 A80管樣化學成分分析結果

2.3 金相分析

取圖1(a)中的JX區域試樣和圖1(f)DK區域中的斷面試樣,制備2個母材金相試樣、2個角焊縫金相試樣和1個斷面金相試樣,金相試樣的宏觀形貌見圖2。

圖2 金相試樣宏觀形貌

采用OLYMPUS GX71光學顯微鏡觀察試樣的金相組織圖,結果見圖3。2根水冷壁管樣母材的顯微組織為鐵素體+珠光體,珠光體未發生球化現象,顯微組織的老化級別為1～2級,向火面與背火面組織均未見異常(圖3(a)-(d))。結合管子的服役時長,可以排除水冷壁管由于長時運行造成組織變化而發生泄漏。從圖3(e)中可見:A80管的角焊縫上存在大量明顯裂紋,并且焊縫的熱影響區接近水冷壁管內壁,其熱影響區的最寬處約6 mm。從圖3(g)中可見:A81管的角焊縫存在未焊透現象,熱影響區的寬度約為2 mm。從圖3(f)中可見:A80管角焊縫中的大量裂紋均為沿晶開裂,部分裂紋已經擴展到熱影響區中,焊縫組織為明顯過熱的鐵素體+魏氏體組織。A81管角焊縫中也存在少量沿晶裂紋,焊縫為過熱的鐵素體+魏氏體組織(見圖3(g)、(h))。在斷面金相圖中觀察到整個壁厚均為熱影響區,并且角焊縫中存在沿晶開裂的裂紋,一些裂紋已經擴展到管樣的熱影響區中(見圖3(i))。焊縫及熱影響區均為粗大網狀的過熱組織(見圖3(j)、(k))。

圖3 金相組織圖

2.4 硬度與拉伸試驗分析

取失效水冷壁管制備拉伸試樣,并且對樣管母材、樣管與鰭片的角焊縫區域進行硬度測試。為了保證硬度測試的準確性,分別采用10 kgf(98 N)與1 kgf(9.8 N)載荷標準對樣管母材與角焊縫進行測量,試驗結果見表3。

表3 硬度與室溫拉伸試驗結果

由表3可知:2根樣管母材的硬度與室溫拉伸強度均符合標準;角焊縫及熱影響區位置的硬度較高,這與焊接后該區域冷卻較快從而形成魏氏體組織有關。

2.5 掃描電子顯微鏡形貌觀察

通過掃描電子顯微鏡對圖1(i)的斷口試樣進行微觀分析,并對部分斷口區域進行能譜分析。試樣斷口的掃描電子顯微鏡形貌見圖4,斷面的能譜分析結果見表4。由圖4(b)可見,角焊縫斷面呈沿晶開裂。由于水冷壁管在開裂失效后,斷口部分區域一直被泄漏工質吹損,導致斷口部分區域呈現平坦光滑的吹損形貌。結合斷面的能譜分析,裂紋斷面上主要為Fe和O元素等,未見腐蝕性元素,因此可以排除由于腐蝕造成水冷壁泄漏。

表4 裂紋斷面能譜分析結果

圖4 斷面的掃描電子顯微鏡形貌

3 結果分析

由上述檢測與試驗結果可知,水冷壁管泄漏點A為第一泄漏點,其余泄漏點是由已泄漏點噴出的高壓工質沖刷造成。失效水冷壁管外徑蠕變與壁厚減薄量無異常。2根水冷壁管樣間的鰭片兩側及角焊縫位置補焊的外觀形貌較差,在機組啟動與變負荷過程中受到的應力集中現象更為明顯。A80管母材與角焊縫的化學成分符合標準,母材的金相組織為鐵素體+珠光體,顯微組織老化評級為1～2級,珠光體未發生明顯球化現象,結合檢修記錄可以判斷該次泄漏并非由于管子長期服役而造成的長時失效。2根管樣的焊縫及熱影響區均為鐵素體+魏氏體組織組成的粗大網狀過熱組織,A80管子角焊縫補焊的熱影響區寬度較大,2根管樣角焊縫的硬度符合標準,但硬度差較大。微觀下,角焊縫中有大量呈沿晶開裂的裂紋,裂紋斷面從角焊縫向管樣母材方向呈放射狀條紋,整個裂紋斷面除局部吹損痕跡外均為沿晶開裂,并且在斷面中未發現腐蝕性元素,結合壁厚減薄情況,可以排除腐蝕原因造成減薄而導致管子泄漏。

4 結語

針對某電廠水冷壁管泄漏事故,通過宏觀觀察、成分分析、金相分析、微觀斷口觀察等研究方法,對管子進行了失效分析。初步認為水冷壁管泄漏是因為水冷壁管樣間角焊縫的焊接質量不良,存在外觀成形較差、焊縫及熱影響區組織不合格及熱影響區寬度過寬等問題。水冷壁管在服役過程中角焊縫內的微裂紋受到機組啟動與變負荷過程造成的應力集中現象嚴重。受應力集中影響,微裂紋從外向內不斷沿晶擴展,直至管壁裂開引起工質泄漏。

為了避免此類問題,應加強水冷壁管角焊縫現場焊接管理工作,按照相關標準的要求進行焊接質量檢驗;避免鰭片焊接出現過度臺階狀,減少應力集中現象;控制焊接時層間溫度與焊接后焊縫冷卻速度,防止異常組織與微裂紋的形成。