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某電站鍋爐在運行過程中水冷壁發(fā)生爆管泄漏。為找出水冷壁爆管原因，利用宏觀檢查、化學成分檢測、金相顯微組織分析及力學性能分析等方法對爆漏的水冷壁進行了全面的試驗分析。

 

1、概述

某鍋爐型號為DG2068/29.3-Ⅱ15型高效超超臨界參數變壓直流鍋爐，一次中間再熱，單爐膛，前后墻對沖燃燒方式，尾部雙煙道結構，采用擋板調節(jié)再熱汽溫，平衡通風，緊身封閉布置，固態(tài)干排渣，全鋼構架，全懸吊結構，Π型布置鍋爐。

該鍋爐于2023年1月投產運行，主要技術參數見表1。

鍋爐爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，爐膛由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁兩部分不同的結構組成，兩者間由過渡段水冷壁和水冷壁中間過渡集箱連接。螺旋水冷壁前墻、兩側墻出口管全部抽出爐外，抽出爐外的所有管子均進入螺旋水冷壁出口集箱，由若干根連接管引入爐兩側的兩個混合集箱混合后，由若干根連接管引入到垂直水冷壁進口集箱，由垂直水冷壁進口集箱拉出三倍于引入螺旋管數量的管子進入垂直水冷壁，垂直管與螺旋管的管數比為3:1。

 

2023年8月某日，鍋爐爐膛壓力由-81 Pa突然增大至255 Pa，給水流量由1862 t/h升至2005 t/h，給水流量高出主蒸汽量約111 t/h，同時四管泄漏多點越限報警，就地檢查四管泄漏11點處有明顯泄漏異音。

 

第二天機組停運臨修，現場檢查發(fā)現左側墻過渡段水冷壁標高58.5 m處螺旋水冷壁出口垂直段管子（爐后數第48根）及相鄰后側2根垂直水冷壁發(fā)生爆管泄漏。爆管的螺旋段水冷壁出口垂直段管段的材質為12Cr1MoVG，規(guī)格為Φ38.1×7.0 mm；垂直段水冷壁管的材質為12Cr1MoVG，規(guī)格為Φ31.8×7.0 mm。

 

為了找出鍋爐水冷壁爆管泄漏原因，確保機組的安全穩(wěn)定運行，對鍋爐爆漏的水冷壁管段取樣進行綜合性失效原因分析。

 

2、試驗內容及結果

1、宏觀檢查

 

結合現場勘察對爆管鍋爐爐膛左側墻爆漏的水冷壁管段進行宏觀形貌檢查，如圖1所示?？梢钥闯?，水冷壁的爆漏點位于左側墻標高58.5 m處螺旋水冷壁出口垂直段管段（爐后數第48根）及相鄰后方2根垂直水冷壁管。

3根爆漏管段中，爐后數第48根螺旋水冷壁出口垂直段管段上的爆口位于鋼管向火側中間、整體沿軸向分布。爆口開口較大、呈“喇叭”狀，長約40 mm，寬約28 mm；爆口處管徑脹粗、爆口邊緣減薄明顯，鋼管內壁未見明顯結垢及腐蝕損傷，具有較為明顯的短時過熱致爆漏的宏觀特征。

 

該管下方另一處小爆口及其后2根相鄰垂直段水冷壁管段上的4處爆口均為該短時過熱爆口泄漏介質吹損所致。

 

（a）現場形貌

 

（b）爆漏點整體形貌

 

（c）爐后數第48根水冷壁管段上第一爆漏點

圖1 標高58.5 m處螺旋水冷壁出口垂直段爆漏點的現場形貌及宏觀形貌

 

現場對左側墻爐后數第48根螺旋水冷壁管段進一步進行排查，在標高57.9 m處距離標高58.5 m漏點處的管路長度約3m部位發(fā)現后數第47、48根兩根螺旋段水冷壁管段的對接接頭及附近母材均存在泄漏點。

 

其中第47根水冷壁管段對接焊縫上的漏點位于向火側中間位置、沿周向分布，開口細長，長約5 mm的細小裂口；該部位未見管徑脹粗，泄漏點外壁未見嚴重減薄。與該泄漏點相對的第48根螺旋水冷壁管對接焊縫及附近母材上存在3處尺寸較大的泄漏點，漏點附近鋼管外壁存在明顯的吹損減薄特征，管徑未見脹粗，如圖2所示。

 

圖2 標高57.9 m處螺旋水冷壁管段泄漏點宏觀形貌

 

2、化學成分分析

 

用ARL EASYSPARK型臺式直讀合金分析儀對爆漏的水冷壁螺旋管段、垂直管段及螺旋段水冷壁管對接焊縫填充的熔敷金屬分別取樣進行化學成分檢測，結果見表2和表3。

 

 

 

從表2可以看出，水冷壁螺旋段及垂直段12Cr1MoVG鋼管的主要合金成分與標準GB/T 5310—2017對12Cr1MoVG材質的要求相一致。

 

從表3可以看出，水冷壁螺旋段鋼管對接焊縫填充的熔敷金屬的主要合金成分符合標準DL/T 869—2021對TIG-R31焊絲的化學成分要求。

 

3、金相分析

 

對標高57.9 m位置的2根螺旋水冷壁管段及標高58.5 m處的2根螺旋水冷壁出口垂直管段和3根垂直水冷壁管段等共計7根水冷壁管及對接接頭分別取樣進行金相分析。

 

對于標高57.9 m位置的2根螺旋段水冷壁管，爐后數第47根水冷壁管對接焊縫處泄漏點位于焊縫中間部位，為貫穿焊縫壁厚的單條直道裂紋。該焊縫只焊接了打底層和蓋面層兩層，且蓋面層的柱狀晶晶粒粗大，焊縫根部內凸超標，如圖3(a)所示。

 

裂口尖端的組織中晶粒未見拉長畸變，裂紋呈沿晶分布，焊縫蓋面層組織為晶粒粗大的板條狀馬氏體，具有較為典型的焊接冷裂紋特征。

 

鋼管母材的組織為等軸狀均勻分布的鐵素體+珠光體，珠光體區(qū)域形態(tài)清晰，呈聚集形態(tài)，碳化物呈片層狀，未見明顯球化；內壁未見明顯的氧化皮、脫碳層以及晶界氧化裂紋和蠕變裂紋。

 

圖3 標高57.9 m爐后第47根螺旋水冷壁管泄漏點金相組織

對于標高57.9 m位置爐后數第48根水冷壁管，其對接焊縫處泄漏點位于近熔合區(qū)部位，焊縫中未見裂紋等缺陷。該焊縫也只焊接了打底層和蓋面層兩層，且蓋面層的柱狀晶晶粒粗大，如圖4(a)所示。

 

泄漏點尖端的組織未見拉長畸變，焊縫蓋面層的組織為晶粒粗大的板條狀馬氏體。水冷壁管母材的組織等軸狀均勻分布的鐵素體+珠光體，珠光體區(qū)域形態(tài)清晰，呈聚集形態(tài)，碳化物呈片層狀，未見明顯球化；鋼管內壁未見明顯的氧化皮、脫碳層以及晶界氧化裂紋和蠕變裂紋等缺陷；具有較為明顯的泄漏介質吹損減薄致泄漏特征。

 

圖4 標高57.9 m爐后第48根螺旋水冷壁管泄漏點金相組織

對于標高58.5 m位置的2根螺旋水冷壁出口垂直管段及3根垂直水冷壁管段，爐后數第48根水冷壁管的大爆口處尖端的組織為鐵素體+珠光體，晶粒發(fā)生明顯的拉長畸變，近爆口處的組織中珠光體2.5級球化，鋼管內壁形成輕微的氧化層，具有典型的短時過熱爆漏的微觀組織特征，如圖5所示。

圖5 標高58.5 m處爐后數第48根螺旋水冷壁出口垂直管段爆口處的金相組織

對于標高58.5 m位置的爐后數第49根和第50根垂直水冷壁管，其爆口尖端的組織為鐵素體+珠光體，晶粒未見明顯的拉長畸變，近爆口處的組織中珠光體未見明顯球化，鋼管內壁未見明顯的氧化層，具有吹損致泄漏的微觀組織特征，如圖6和圖7所示。

 

圖6 標高58.5 m爐后數第49根垂直水冷壁管段漏點處的金相組織

 

圖7 標高58.5 m爐后數第50根垂直水冷壁管段漏點處的金相組織

 

對于標高58.5 m位置的爐后數第47根垂直水冷壁管和第51根螺旋水冷壁出口垂直段鋼管，其表面吹損部位的組織為鐵素體+珠光體，晶粒未見明顯的拉長畸變，近爆口處的組織中珠光體未見明顯球化，鋼管內壁未見明顯的氧化層，如圖8和圖9所示。

 

圖8 標高58.5 m爐后數第47根垂直水冷壁管段漏點處金相組織

 

圖9 標高58.5 m爐后數第50根垂直水冷壁管段漏點處金相組織

4、力學性能測試

 

對爆漏的水冷壁管段母材及對接焊縫取樣進行硬度性能測試，結果見表4。可以看出，水冷壁鋼管母材的硬度符合標準DL/T 438—2016對12Cr1MoVG管材的硬度要求；焊縫的硬度則遠高于DL/T 869—2021對12Cr1MoVG焊縫的硬度要求的上限。

 

 

 

 

3、綜合分析評價

從爆口形貌分析，鍋爐爐膛左側墻水冷壁在標高57.9 m處爐后數第47、48根兩根螺旋段水冷壁管段的對接接頭焊縫處均存在較小泄漏點，該位置距離標高58.5 m處漏點的管路長度約為3 m。

 

其中第47根管段對接焊縫向火側中間位置存在一處沿周向分布的長約5 mm的細長裂口，漏點外壁減薄較少。與該泄漏點相對的第48根螺旋水冷壁管對接焊縫及附近母材部位存在3處尺寸略大的泄漏點，外壁吹損減薄嚴重。

 

標高58.5 m處螺旋水冷壁出口垂直段上的大爆口位于鋼管向火側中間部位，爆口開口較大、呈"喇叭"狀，爆口處管徑脹粗、爆口邊緣減薄明顯；該管下方存在另一處小爆口，其后2根相鄰垂直段水冷壁管段上存在3處小漏點。

 

綜合以上不同標高位置各水冷壁管爆口的形貌特征認為，標高57.9 m處爐后數第47根水冷壁管對接焊縫上的細長裂口應為初始泄漏點，其泄漏的高溫高壓介質將與其相鄰的第48根水冷壁管焊縫及附近區(qū)域吹損致泄漏并形成較大的泄漏點，該較大泄漏點較長時間的介質泄漏引發(fā)管內介質流量不足，導致其后面約3 m距離處的標高58.5 m部位發(fā)生短時過熱爆管，并將相鄰的水冷壁管吹損損傷。

 

從化學成分分析，水冷壁螺旋段及垂直段管段的主要合金成分與標準GB/T 5310—2017對12Cr1MoVG材質的要求相一致。水冷壁螺旋段管段對接焊縫填充的熔敷金屬的主要合金成分符合標準DL/T 869—2021對TIG-R31焊絲的化學成分要求，可以排除材質錯用的情況。

 

從金相組織分析，左側墻標高57.9 m處爐后數第47根鋼管對接焊縫處泄漏點位于近焊縫中間部位，為貫穿焊縫壁厚的單條直道裂紋，該焊縫只焊接了打底層和蓋面層兩層，且蓋面層的柱狀晶晶粒粗大，焊縫根部內凸超標。裂口尖端的組織未見拉長畸變，裂紋呈沿晶分布特征，焊縫蓋面層的組織為晶粒粗大的板條狀馬氏體，符合焊接冷裂紋特征，也是本次爆管泄漏的第一泄漏點。鋼管母材的組織未見明顯球化，鋼管內壁未見明顯的氧化皮、脫碳層以及晶界氧化裂紋和蠕變裂紋。標高57.9 m位置爐后數第48根鋼管，其對接焊縫及附近母材的3處泄漏點未見裂紋等缺陷，泄漏點尖端的組織未見拉長畸變，外壁嚴重吹損減薄，具有較為明顯的泄漏介質吹損減薄致泄漏特征；鋼管母材的組織組織未見明顯球化。

 

對于標高58.5 m位置爐后數第48根鋼管的大爆口處尖端的組織中晶粒發(fā)生了明顯的拉長畸變，組織中珠光體2.5級球化，鋼管內壁形成輕微的氧化層，具有典型的短時過熱爆漏的微觀組織特征。爐后數第49根和第50根垂直水冷壁鋼管，其爆口尖端的組織晶粒未見明顯的拉長畸變，近爆口處的組織中珠光體未見明顯球化，鋼管內壁未見明顯的氧化層，具有吹損致泄漏的微觀組織特征。爐后數第47根垂直水冷壁鋼管和第51根螺旋水冷壁出口垂直段鋼管，其表面吹損部位的組織為鐵素體+珠光體，晶粒未見明顯的拉長畸變，近爆口處的組織中珠光體未見明顯球化，鋼管內壁未見明顯的氧化層。

 

從力學性能分析，爆漏水冷壁鋼管母材的硬度符合標準DL/T438—2016對12Cr1MoVG管材的硬度要求；焊縫的硬度則遠高于DL/T 869—2021對12Cr1MoVG焊縫的硬度要求的上限值，這與焊縫組織為粗大的板條馬氏體相對應。

 

鍋爐用12Cr1MoVG管材焊接過程中如果焊前未進行有效預熱、焊接層數偏少、焊接參數過大且焊后冷速過快，會在焊縫組織中形成粗大的板條狀馬氏體組織并導致過高的硬度，進而導致焊接冷裂紋的生成，并在高水平的焊接接頭殘余應力及管系膨脹應力的作用下擴展至貫穿焊縫，直至引發(fā)泄漏。

 

4、結論及建議

綜上分析，造成本次鍋爐水冷壁爆管泄漏的主要原因為，爐膛左側墻標高57.9 m處爐后數第47根螺旋水冷壁管對接接頭焊縫存在冷裂紋缺陷，在服役過程中內部介質形成的一次應力及管系膨脹形成的二次應力疊加作用下，焊縫中的冷裂紋擴展并貫穿焊縫形成泄漏，將與其相對的爐后數第48根螺旋水冷壁管處吹損致較大量的介質泄漏，導致該管系內介質流量不足引發(fā)標高58.5 m處出口處垂直管段發(fā)生短時過熱致爆漏，泄漏的介質將與其相鄰的垂直水冷壁管吹損致泄漏。