賈少威

(大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

0 引言

某電廠#1鍋爐為采用法國STEIN公司技術(shù)，由西班牙B＆W公司生產(chǎn)的W型火焰、亞臨界、中間再熱、控制循環(huán)汽包爐，1998年11月投入商業(yè)運(yùn)行。2015年2月23日，該鍋爐因前墻水冷壁發(fā)生爆管而停爐，爆管位置為前墻水冷壁爐右數(shù)第141根管向火側(cè)，標(biāo)高約19.0 m。爆管處水冷壁為光管，材質(zhì)為TU48-C(相當(dāng)于國內(nèi)20MnG)，規(guī)格為 ? 38 mm×5.60 mm。爆管上方水冷壁為內(nèi)螺紋管，材質(zhì)為TU15CD2-05(相當(dāng)于國內(nèi)12CrMoG)規(guī)格為? 38 mm ×4.77 mm。

1 現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，前墻水冷壁爐右數(shù)第141根管標(biāo)高約19.0 m處有一爆口(如圖1所示)，同一根管前墻冷灰斗水冷壁標(biāo)高約17.5 m彎頭下方500 mm有一爆口(如圖2所示);前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第106根管標(biāo)高約17.5 m彎頭下方300 mm處有一爆口(如圖3所示);前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第122根管標(biāo)高約17.5 m彎頭下方400 mm處有一爆口(如圖4所示);其他爆口均為吹損所致。

前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第106～141根管范圍內(nèi)，距離標(biāo)高17.5 m的彎頭約600 mm的范圍內(nèi)多處管子存在宏觀橫向裂紋，橫裂區(qū)域如圖5所示，典型裂紋形貌如圖6所示。

圖1 爆口宏觀形貌

圖2 泄漏口1宏觀形貌

圖3 泄漏口2宏觀形貌

圖4 泄漏口3宏觀形貌

圖1所示爆口位于TU15CD2-05內(nèi)螺紋管(? 38 mm×4.77 mm)和TU48-C光管(? 38 mm ×5.60 mm)焊縫下方的TU48-C向火側(cè)，開口很大，呈喇叭狀，邊緣明顯減薄，最薄位置厚度約2 mm，符合短期過熱特征;爆口最大處外壁表面存在沿管子長度方向的“樹皮紋”，又符合長期過熱特征。爆口上方20 cm處直徑39.0 cm，下方20 cm處直徑39.8 cm。圖2～4所示的爆口均位于TU48-C光管(? 38 mm×5.60 mm)向火側(cè)，橫向破開且張口較小，呈縫隙狀，爆口附近管子未見明顯變形和減薄，附近管子表面覆蓋有較明顯的氧化皮。

圖5 前墻冷灰斗水冷壁橫裂區(qū)域

圖6 宏觀裂紋形貌

2 實(shí)驗(yàn)室檢查情況

2.1 宏觀檢查

前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第106，122，141根管及第118～120管子向火側(cè)表面均有很明顯的砸傷痕跡，且有多處補(bǔ)焊痕跡。打磨前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第120根、第122根、第141根表面后分別進(jìn)行滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)向火側(cè)表面均存在密集的、相互平行的橫向裂紋，裂紋長短不一，典型缺陷如圖7所示，背火側(cè)沒有裂紋缺陷。

前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第106，122，141根管的破口特征類似，對(duì)第122根管破口沿圖4中虛線所示位置剖開，發(fā)現(xiàn)向火側(cè)存在多條垂直于表面的裂紋，裂紋開口較大，裂紋平直，頭部稍尖，如圖8所示。

2.2 光譜分析

對(duì)泄漏的前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第106，122，141根管進(jìn)行光譜分析(設(shè)計(jì)材質(zhì)為TU48-C)，成分符合設(shè)計(jì)要求，見表 1。檢測(cè)依據(jù):NF A49-213-1990《鋼管高溫用非合金鋼和鉬合金鋼與鉬鉻合金鋼制無縫管帶標(biāo)準(zhǔn)公差的尺寸交貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中TU48-C要求w(Mn)=0.60% ～1.30%，w(Cu)≤0.25%。

圖7 前墻冷灰斗水冷壁爐右數(shù)第120根試樣向火側(cè)

表1 水冷壁管光譜分析結(jié)果 %

2.3 金相檢驗(yàn)

圖9 圖1所示爆口組織形貌

對(duì)圖1所示爆口沿橫截面取樣進(jìn)行微觀檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爆口及附近組織為完全相變后組織，爆口有大量蠕變孔洞，如圖9所示。對(duì)圖2所示爆口進(jìn)行微觀檢驗(yàn)，其組織為鐵素體+珠光體+碳化物，珠光體有一定的球化，爆口附近組織為鐵素體+珠光體，如圖10所示。對(duì)表面裂紋處進(jìn)行金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明:裂紋平直，頭部略尖，裂紋內(nèi)部充滿灰色的氧化或腐蝕產(chǎn)物，裂紋均穿晶擴(kuò)展，如圖11所示。

圖10 圖2所示爆口組織形貌

圖11 圖7所示外壁裂紋微觀形貌

3 原因分析及建議

(1)前墻水冷壁爐右數(shù)第141根管標(biāo)高約19.0 m處的過熱爆口是造成此次停爐的直接原因，從爆口特征來看，具有長期過熱和短期過熱的特征。引起過熱的原因?yàn)橥軜?biāo)高17.5 m彎頭下方500 mm處存在爆口，爆口較小時(shí)，管內(nèi)向上的介質(zhì)流速減緩，爆口上方熱負(fù)荷較高位置產(chǎn)生長期過熱，隨著爆口的擴(kuò)大，管內(nèi)向上的介質(zhì)大量減少，從而造成了標(biāo)高19.0 m的同根管子短期過熱爆管。

(2)根據(jù)前墻水冷壁爐右數(shù)第106，122，141根管子的爆口特征，爆口附近向火側(cè)密集的、相互平行的橫向裂紋以及裂紋的微觀特征，可判定裂紋為熱疲勞裂紋，爆口是由熱疲勞裂紋發(fā)展而產(chǎn)生的。熱疲勞指材料在加熱、冷卻的循環(huán)作用下，由于交變的熱應(yīng)力引起的破壞［1］。從現(xiàn)場檢查的情況來看，冷灰斗水冷壁爐中心靠右區(qū)域距離前墻約600 mm范圍內(nèi)的管子多處出現(xiàn)宏觀的橫向裂紋，該區(qū)域內(nèi)管子上方正對(duì)燃燒器，管子表面因掉焦砸傷情況突出，熱疲勞裂紋首先從這些損傷的薄弱部位產(chǎn)生并發(fā)展(如圖6所示)。宏觀裂紋的區(qū)域特征表明，該區(qū)域在運(yùn)行過程中存在明顯的溫度波動(dòng)(如火焰中心偏移等)，且形成這種裂紋的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)一般較少［2］。檢修人員對(duì)后墻水冷壁同樣位置進(jìn)行了宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)圖6所示的宏觀裂紋，目前無法排除是否也存在宏觀難以發(fā)現(xiàn)的熱疲勞裂紋，建議利用檢修機(jī)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的檢查。

建議盡快查找引起水冷壁管熱疲勞的原因并對(duì)存在熱疲勞裂紋的水冷壁管應(yīng)進(jìn)行更換。

［1］鄭修麟.材料疲勞理論與工程應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2013.

［2］車丹.W型火焰鍋爐燃燒特性的研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2006.