超超临界机组水冷壁管弯曲处失效泄漏的原因

超超临界机组水冷壁管弯曲处失效泄漏的原因

王少龙

王少龙

（陕西能源赵石畔煤电有限公司陕西榆林719200）

摘要：在火电厂中，超超临界机组的应用比较普遍，满足保护环境、节约能源的要求，但机组运行期间存在一些问题。本文结合工程案例，首先介绍了水冷壁管弯曲处失效泄漏事件的概况，然后对失效泄漏原因进行分析，以供参考。

关键词：超超临界机组；水冷壁管；弯曲处；失效泄漏；原因

引言

在超超临界机组中，水冷壁管是一个重要的组成部分，一般垂直布置在炉膛内壁四周，上端连接上锅筒，下端连接下集箱，共同构成水循环系统。在机组运行期间，水冷壁管可以吸收高温烟气带来的热量，减轻烟气、熔渣对炉墙造成的损坏，具有保护炉墙的作用。相关调查显示，在锅炉设备事故中，省煤器、过热器、再热器、水冷壁管故障占比60%以上。由此可见，明确重要部件的泄漏原因，避免或减少泄漏次数，能保证锅炉稳定运行，提高机组运行效率。

1．水冷壁管弯曲处失效泄漏事件概况

以国内某电厂为例，其中一个锅炉型号为超超临界660MW直流型锅炉，燃烧采用对冲模式，最大蒸发量为2060t/h，额定蒸汽压为26.2MPa，额定蒸汽温度为605℃。该锅炉在近期调试时，发现左侧水冷壁管的弯曲处泄漏；继续运行3h，停机后可见水冷壁管上有4个裂口，长度范围约1.5m。为了进一步确定泄漏原因，截取一段管道作为样本，分别进行宏观检查、微观检查、硬度测试、能谱分析，综合分析后得出结论。

该管道样本的材质是15CrMo，即铬钼珠光体型耐热钢，规格为31.5mm×8.8mm。合金成分包括：①C含量0.15%；②Si含量0.23%；③Mn含量0.61%；④S含量0.004%；⑤P含量0.009%；⑥MO含量0.46%；⑦Mn含量0.61%；⑧Cr含量0.9%。该材料的焊接、加工性能良好，而且耐热性强，因此常作为受热面使用。正常情况下，15CrMo材料是珠光体+铁素体组织，随着使用时间延长，其组织结构会相应变化：在珠光体组织中，渗碳体会发生分解、球化反应，转化为稳定性更强的碳化物，例如M6C、M23C6、M7C3等。这些物质的生成，会影响15CrMo材料的耐高温性能，继而造成失效、泄漏等问题。

2．失效泄漏的原因分析

2.1宏观检查

宏观检查显示，裂口位于水冷壁管的向火侧，裂口周围发生胀粗，管壁表面可见氧化膜。经化学清洗后，可见贝纹线，裂纹从外壁向内壁延伸，其长度大小不一。而在向火侧侧面，横向平行裂纹密集分布，且凸显出热疲劳断裂的特点。尺量裂口的长度、宽度为10mm、1mm，最大胀粗部位的直径为40.5mm，胀粗率为28.6%。从裂口的横截面来看，管壁厚度明显减小，两端的椭圆度大，近端管径为34.2mm，最大壁厚为8.7mm，最小壁厚为6.5mm，壁厚差值为2.2mm。远端管径为33.6mm，最大壁厚为8.4mm，最小壁厚为6.9mm，壁厚差值为1.5mm。对比可知，近端和裂口的距离较近，相比于远端的胀粗更明显，最大和最小壁厚的差值更大。

2.2微观检查

微观检查前，需要对水冷壁管再次切割取样，其中裂口横截面作为1号样本，裂口纵截面作为2号样本，裂口背火侧横截面作为3号样本，裂口远端（相距140mm处）向火侧横截面作为4号样本。切割后，首先精细化镶嵌、打磨、抛光，然后使用浓度为4%的硝酸酒精进行腐蚀，微观检查利用金相显微镜，型号为DMI-3000M。

第一，1号样本显微组织。裂口横截面的晶粒拉伸，方向和管壁变薄的方向一致，金相组织包括珠光体、铁素体、贝氏体。在裂口顶端，可见多个蠕变孔洞连成裂纹，最长裂纹达到110μm，内壁上氧化膜最大厚度为113μm，见图1。

图1：横截面组织和内壁氧化膜

第二，2号样本显微组织。裂口纵截面的组织特点和横截面类似，其晶粒也发生拉伸变形；金相组织也是珠光体、铁素体、贝氏体；可见少量裂纹，内壁上氧化膜最大厚度为210μm，见图2。

（下转第321页）

选择3号样本和4号样本，观察金相组织后，利用维氏硬度计测试样本的显微硬度。依据《金属布氏硬度试验方法》，参数设置如下：钢球直径为5mm，载荷为200g，时间为10s，得到显微硬度值后，将其换算为布氏硬度值，见表1。

2.4能谱分析

对4号样本清洗后，SEM检查可见断面上存在多个裂纹源，不同裂纹源的高度有差异；裂纹断面上，清晰可见圆弧形、平行性的贝纹线，且条纹间距基本一致，和扩展方向相互垂直。在裂纹瞬断区，可见舌状、河流状、扇形花样，凸显出脆性断裂特征。对裂口部位的腐蚀产物进行能谱分析，主要是硫化物、氧化物，可检测到Si、K、Al等元素，可能是吸附烟气中的灰尘后形成的。

2.5综合分析

结合相关研究成果，锅炉内壁的氧化层厚度，和金属温度、运行时间等因素有关，15CrMo材料可参考公式1：

（公式1）

式中T代表金属温度，x代表氧化层厚度，t代表机组运行时间，a和b代表15CrMo材料常数。

结合检测结果，氧化层厚度为0.21mm，裂口背火侧0.071mm，远端向火侧0.102mm，机组运行时间为500h。将以上数据带入公式1，可得裂口管壁、背火侧、远端向火侧当量金属温度为612℃、597℃、602℃。15CrMo材料的正常运行温度是500-550℃，在此范围内能保持较强的耐热性能。一旦温度超过550℃，其耐热性明显降低。本次检测结果中，水冷壁管存在超温现象，尤其是向火侧超温更加明显。分析原因，可能是向火侧在膨胀作用下，胀粗沿管壁向火侧发展。

3．结语：

超超临界机组在火电厂中比较常见，其中水冷壁管是机组重要组成部分，直接影响机组运行的可靠性。文中结合实际案例，针对水冷壁管弯曲处的失效泄露事件进行探讨，分别开展宏观检查、微观检查、硬度测试、能谱分析，综合分析，结果显示：（1）宏观检查可见裂口位于水冷壁管的向火侧，裂口周围发生胀粗，管壁表面可见氧化膜；（2）微观检查显示裂口处金相组织发生变化；（3）硬度测试显示硬度测试值满足规范标准要求；（4）能谱分析显示裂口部位呈现出脆性断裂特征；（5）综合分析认为，是水冷壁管超温现象造成的失效泄露事故，尤其是向火侧超温更加明显。提示工作人员重点关注，做好检修保养工作。

参考文献：

[1]吴优福，侯召堂.超超临界机组水冷壁管弯曲处失效泄漏原因分析[J].发电设备，2017，31（3）：188-192.

[2]唐海锋，张霞.燃煤机组锅炉“四管泄漏”机理及防治问题的研讨[J].山东工业技术，2015，（3）：6-6.